一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，属于航天器热控技术领域，具体步骤如下：第一步，根据两相流体系统内的气液流动及气液分布的特点，确定两相流体系统的工作模式；第二步，根据两相流体系统所处的工作模式，分析在1g的重力条件下，浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d的取值范围；本发明专利技术通过分析重力条件对其相变工作过程工质流动换热的影响，以获得1g和0g

A Design Method of Characteristic Parameters for Two-Phase Fluid Systems with Gravity Suppression

The invention discloses a method for designing characteristic parameters of a two-phase fluid system which can suppress the influence of gravity, belonging to the field of spacecraft thermal control technology. The specific steps are as follows: first, according to the characteristics of gas-liquid flow and gas-liquid distribution in the two-phase fluid system, the working mode of the two-phase fluid system is determined; second, according to the working mode of the two-phase fluid system, the working mode of the two-phase fluid system is analyzed at 1G. Under gravity conditions, the influence of buoyancy, surface tension, inertia force, gravity (buoyancy), buoyancy and viscous force caused by temperature change on two-phase fluid is studied, and the range of characteristic parameter D is calculated. By analyzing the influence of gravity condition on the flow and heat transfer of working fluid in phase change process, the present invention obtains 1g and 0g.

【技术实现步骤摘要】
一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法
本专利技术属于航天器热控
，具体涉及一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法。
技术介绍
空间两相热管理技术利用两相相变潜热实现高效的热量传输，是解决空间航天器大功率热传输和热排散的有效技术手段。空间用典型两相传热及散热技术，包括环路热管、月球1/6g重力驱动两相流体回路、可变热导热管、水升华器、蒸发器等。其中环路热管、月球1/6g重力驱动两相流体回路、可变热导热管属于高效两相传热技术，水升华器、蒸发器等属于高效两相散热技术。随着我国航天的发展和航天器热控技术更新换代，上述各项空间两相热管理技术已成为我国未来航天器热控中必不可少和必须突破的热控手段。上述空间两相热管理技术基本工作原理和运行方式不同，但其工作利用的两相工质相变传热机理具有一定的共同点。如应用于航天器热控系统的两相热管理技术，在工作中必然面临空间微重力环境或月球1/6g重力环境等非地球重力环境。但是，对于空间用两相热管理系统，其研制过程中的性能测试、验证等试验必须在地面1g重力环境中进行。其在地面试验中的流动与换热不可避免地要受到重力的影响。当前微重力或部分重力条件下气液两相流动的实验研究手段主要有空间微重力实验、地面或近地面微重力实验、地面微(部分)重力模拟验证。如利用空间飞行器、失重飞机、落塔等，直接测试实验对象在微重力或部分重力环境下的流动及传热特性，微重力或部分重力环境试验真实可信，但实验费用较高、实验装置及实验操作复杂；失重飞机和落塔等微重力持续时间短(失重飞机≈20s，落塔≈5s)，实验过程中残余重力及其波动会影响测量参数的准确性，持续时间短也与实验对象内部物理过程的发展特点不协调。因此采用失重设备的微重力试验不仅费用高昂，而且不一定能满足所有项目的试验需求。在我国未来的深空探测任务中，两相流体系统必须能够适应月面1/6g或其它星球重力环境。但在地面验证试验中，模拟1/6g或微重力环境有一定的困难。所以希望通过两相流体系统的重力无关设计，实现在地面重力环境中对两相流体系统工作性能进行模拟的目的。因此对重力条件对空间两相流体系统工作特性的影响进行分析，获得地面试验中重力的影响是否可以忽略的判断准则，对空间两相流体系统在地面试验中的可测性及其测试结果的可信性有十分重要的意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，分析重力条件对其相变工作过程工质流动换热的影响，以获得1g和0g<gm<1g条件下两相流体系统重力无关的特征参数选取准则。本专利技术是通过下述技术方案实现的：一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，在两相流体系统中，表征两相流体系统与重力相关特性的无量纲参数分别为Bond数Bo、Froude数Fr、Grashof数Gr、Reynolds数Re及Rayleigh数Ra；其定义分别为：其中，ρ为流体的密度，且ρ＝ρl-ρv，ρl为流体中气体的密度，ρv为流体中液体的密度，g为重力加速度，d为液体表面间的特征距离，即两相流体系统的特征参数，u为流体流速，σ为流体的表面张力，α为流体的热膨胀系数，ν为流体的运动粘度，ΔT为两相流体系统中液体的内部温差，k为热扩散率；所述特征参数设计方法的具体步骤如下：第一步，根据两相流体系统内的气液流动及气液分布的特点，确定两相流体系统的工作模式，所述工作模式包括：有强制对流的情况、有强制对流和毛细力共同作用的情况、无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况中的任一种或一种以上的组合情况；第二步，根据两相流体系统所处的工作模式，分析在1g的重力条件下，浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d的取值范围；分析及计算过程如下：(1)有强制对流的情况：若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：即，特征参数d应满足：(2)有强制对流和毛细力共同作用的情况：若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：即，特征参数d应满足：(3)无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况：第一种，介质为非多孔介质，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：即，特征参数d应满足：第二种，介质为多孔介质，用公式(11)所示修正的Ra数代替公式(5)所示的Ra数，即其中，K为多孔介质渗透率，且K＝f(ε)dp2，f(ε)为关于孔隙率的表达式，dp为组成多孔介质的微粒尺寸；因此，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：由于dp≤d，即若则必然使得因此，特征参数d应满足：综上，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，航天器气液两相流体系统的特征参数d应当满足公式(10)或公式(13)；(4)若是以上三种情况中的任两种组合时：在地面试验过程中，若要实现两相流体系统整个工作区间的重力无关设计，抑制重力引起的浮力对流的影响，其特征参数应同时满足其对应情况的重力无关条件，即同时满足其对应情况的公式(7)、公式(9)、公式(10)或公式(13)的交集，该交集作为准则对空间两相流体系统的特征参数进行设计。进一步的，根据第二步的分析过程，扩展到gm＝0g～1g的重力条件下，分析浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数dm的取值范围；分析及计算过程如下：(1)有强制对流的情况，在gm＝0g～1g的重力条件下，若要忽略当前重力条件对两相流体系统内对流换热的影响，特征参数dm应满足：(2)有强制对流和毛细力共同作用的情况，在gm＝0g～1g的重力条件下，若要忽略当前重力条件对两相流体系统内对流换热的影响，特征参数dm应满足：(3)无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况，在gm＝0g～1g的重力条件下，若要忽略当前重力条件对两相流体系统内对流换热的影响，特征参数dm应满足：(4)若是以上三种情况中的任两种组合时：在gm＝0g～1g的重力条件下试验过程中，若要实现两相流体系统整个工作区间的当前重力无关设计，其特征参数应同时满足其对应情况的重力无关条件，即同时满足其对应情况的公式(16)、公式(17)、公式(18)的交集，该交集作为准则对空间两相流体系统的特征参数进行设计。进一步的，分析在地面重力g条件下计算得到的特征参数d与在重力gm条件下计算得到的特征参数dm的关系，分析过程如下：由可知由可知由可知或由可知，因此，在0g<gm<1g重力环境下，根据不同的三种单独的工作模式，若要忽略重力影响的两相流体系统的特征参数的取值上限可分别对应为地球重力g环境的倍、倍、倍。进一步的，对于航天器气液两相流体系统，在公式(8)的有效的判定准则为：有益效果：(1)本专利技术提出了两相流体系统的特征参数设计方法，使按照该方法设计的两相流体系统具有重力无关的特性；即可以在地面试验中，使重力引起的自然对流对试验结果的影响被忽略，从而解决了在空间0g～1g环境中工作的两相流体系统在地面1g重力环境中试验的有效性、两相流体系统在地面试验中的可测性及其测试结果的可信性难题。(2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，在两相流体系统中，表征两相流体系统与重力相关特性的无量纲参数分别为Bond数Bo、Froude数Fr、Grashof数Gr、Reynolds数Re及Rayleigh数Ra；其定义分别为：

【技术特征摘要】
1.一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，在两相流体系统中，表征两相流体系统与重力相关特性的无量纲参数分别为Bond数Bo、Froude数Fr、Grashof数Gr、Reynolds数Re及Rayleigh数Ra；其定义分别为：其中，ρ为流体的密度，且ρ＝ρl-ρv，ρl为流体中气体的密度，ρv为流体中液体的密度，g为重力加速度，d为液体表面间的特征距离，即两相流体系统的特征参数，u为流体流速，σ为流体的表面张力，α为流体的热膨胀系数，ν为流体的运动粘度，ΔT为两相流体系统中液体的内部温差，k为热扩散率；其特征在于，所述特征参数设计方法的具体步骤如下：第一步，根据两相流体系统内的气液流动及气液分布的特点，确定两相流体系统的工作模式，所述工作模式包括：有强制对流的情况、有强制对流和毛细力共同作用的情况、无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况中的任一种或一种以上的组合情况；第二步，根据两相流体系统所处的工作模式，分析在1g的重力条件下，浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d的取值范围；分析及计算过程如下：(1)有强制对流的情况：若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：即，特征参数d应满足：(2)有强制对流和毛细力共同作用的情况：若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：即，特征参数d应满足：(3)无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况：第一种，介质为非多孔介质，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：即，特征参数d应满足：第二种，介质为多孔介质，用公式(11)所示修正的Ra数代替公式(5)所示的Ra数，即其中，K为多孔介质渗透率，且K＝f(ε)dp2，f(ε)为关于孔隙率的表达式，dp为组成多孔介质的微粒尺寸；因此，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：由于dp≤d，即若则必然使得因此，特征参数d应满足：综上，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，航天器气液两相流体系统的特征参数d应当满足公式(10)或公式(13)；(4)若...

【专利技术属性】
技术研发人员：李劲东，王玉莹，钟奇，宁献文，吕巍，李享，苗建印，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11