低温液体填充盲支管的不稳定过程研究

Cryogenic liquid propellants are widely used in space launch vehicle. There is unavoidable to be blind branch tubes in cryogenic piping system under certain operation process. With the impact of the external heat transfer from the environment, the gas chamber is formed in the blind tube. When the cryogenic feeding system is under critical state, cryogenic liquid will be forced to fill the blind tube due to the suddenly increasing pressure and the water hammer occurs. Water hammer adversely affects the cryogenic feeding system. However, there are few studies on the water hammer-induced by the cryogenic liquid filling the blind tube. Theoretical analysis, numerical calculation and experimental study are applied to study the water hammer in blind branch tube, especially on the heat and mass transfer between the cryogenic liquid and the gas. The parameters of blind tube are obtained to analyze the mechanism of heat and mass transfer. The methods are experimentally investigated to induce blind tube water hammer, and the methods to avoid water hammer in blind tube are also studied. The research results have important scientific value to optimize the design of cryogenic piping system and guide the safety and stable operation of the cryogenic feeding system.

低温液体推进剂在国内外航天运载器上得到了广泛的应用。低温管道系统在一定的工艺操作流程中不可避免地存在盲支管，而在外界环境热侵的作用下，低温盲支管内部形成气腔。当低温加注系统处于过渡状态时，将会引起低温液体急剧填充盲支管，从而产生严重的水击振动，对低温加注系统稳定安全运行造成不利影响。然而，目前对于低温液体填充盲支管过程发生的水击振动现象研究的不够深入。本项目拟采用理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法，对低温盲支管内气液两相间的传热、传质以及低温液体填充盲支管过程进行研究，获得低温盲支管内各参数的变化情况，揭示低温液体与盲腔内气体传热传质规律，通过研究引起盲支管水击振动的方法，探讨低温管路盲支管水击振动的抑制措施和方法，为合理设计低温液体输送管路结构以及低温加注系统安全稳定运行等提供科学的理论依据。

本项目以低温液体填充盲支管不稳定过程为研究对象，开展了低温液体管路中不稳定过程的传热传质机理分析，采用CFD方法研究了低温液体填充盲支管过程，分析了不同阀门关闭时间、盲支管长度、阀门关闭顺序、管径大小、工作介质以及管路状态等对低温液体填充盲支管水击压力的影响，并借助实验方法研究了低温液体填充盲支管水击振动诱发方法，同时从实验上获得抑制低温盲支管水击振动的措施和方法，并通过低温可视化手段研究了低温液体填充过程的流动形态。研究结果表明：1）低温液体管路工作中预冷过程是个复杂且不稳定过程；低温盲支管气腔填充可分为液体驱赶、相对慢速制动和急速制动三个过程，基于对低温盲腔中液相、气相传质过程分析，获得盲支管气腔的填充物理模型；2）采用CFD方法分析了液氮填充盲支管的过程，整个物理过程可分为液体充填过程、水击过程与排气过程，在盲直管内充填过程、排气过程中盲腔内气液界面较为清晰，气液两相无剧烈的混合过程，而水击过程造成了气液两相的剧烈混合，并且混合程度随时间的增加而衰减；通过对不同参数对盲支管填充过程压力变化的影响分析，阀门关闭时间越短，造成盲支管内的压力变化越剧烈，形成较大的压力峰值，且当管路初始为冷态时，盲支管内不会产生水击现象，管路初始为热态时，盲支管内将产生水击振动现象；3）采用气腔排气减压扰动法可有效诱发热态的低温盲支管填充水击振动，管路系统背压越大，盲支管填充水击振动幅值越大，而主管路处于流动状态下水击振动幅值也越大，最大水击压力幅值约为系统压力的10倍；通过设置入口节流件和盲腔内的防波板，可有效抑制低温液体对盲支管的剧烈填充，同时亦可通过对盲支管进行充分预冷而达到抑制盲支管水击的效果；低温盲支管填充过程中，气液相界面存在剧烈的相互作用，液相夹杂着气体向上填充。