微重力下板式表面张力贮箱内液体流动特性研究

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微重力环境下,重力的作用几乎消失,逐渐减小的重力和液体的表面张力决定了自由界面的位置,所以处于微重力环境下的液体分布和流动特性与地面上明显不同。这种不同对于空间流体的管理(包括存储,运输和控制)是个新的挑战,也使得空间流体管理成为航天载人和空间探索的重大应用技术之一。表面张力贮箱用来存储和提供推进剂,为了对液体进行有效的控制,需对液体在微重力环境下的分布规律、截面形貌和流动行为等进行深入而系统的了解。  本文利用数值模拟方法,以板式表面张力贮箱内的液体为研究对象,研究贮箱内部液体受表面张力和重力共同作用的流动特性。具体研究内容包括:  (1)重力加速度对板式表面张力贮箱内液体流动特性影响的数值模拟研究。研究了不同重力加速度情况下液体在贮箱内的分布,结果表明:当重力加速度小于10-3go且液体与壁面呈浸润性时,液体沿着贮箱内角和壁面流动,重力的减小对于整个贮箱的液面分布影响小,内侧夹角处液体爬升速度大于外侧导流叶片附近的液体。重力加速度越小,贮箱质心越高,且质心上升的速度越快。重力加速度大于10-2go时,液体的最大爬升高度较低,不能爬升至贮箱顶部,且液体的流动易产生回流。  (2)接触角对板式表面张力贮箱内液体流动特性影响的数值模拟研究。研究了不同接触角情况下液体在贮箱内的分布等,结果表明:当接触角为0°和15°时,液体沿着外侧导流叶片爬升至贮箱顶部,与纯壁面接触部位的液面从侧面观察近似一条弧线;接触角为30°和45°时,靠近外侧导流叶片的涡对液体产生向上的推力,最低液面下存在涡;接触角为60°和75°主要存在两个涡,外涡向外侧倾斜,内侧的涡对的液面产生向下的速度;接触角为90°,整个液面逐渐变为了一个锥面,界面稳定。  (3)叶片夹角对板式表面张力贮箱内液体流动特性影响的数值模拟研究。研究了不同叶片夹角情况下液体在贮箱内的分布和流动特性,结果表明:随着叶片夹角的增大,液面的高度减小,初始截面的位置增加,初始截面的特征高度却在逐渐减小;夹角增大,初始截面的曲率半径也增大,液面与壁面的平行距离变长,液体爬升至叶片顶部的时间也延长。随着时间的增加,速度逐渐减小,而夹角越小,速度下降越快。在液体上升运动中,整个液面的横截面的液体高度逐渐减小。内角流动中液体的流动与时间成正比,计算得到理论液体的流动距离和模拟计算得到的流动距离曲线流动趋势相似。
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