基于vof方法的航天器贮箱出流过程液体晃动及防晃板研究

基于vof方法的航天器贮箱出流过程液体晃动及防晃板研究

在爆炸过程中，储存室内液体燃料的过程会造成严重的扰动，这将对整个系统的动力学产生重大影响，并在严重的情况下导致任务失败。从现有的文献资料来看,对液体晃动问题的研究主要集中于对固定充液率下贮箱内的液体晃动研究。20世纪60年代,Abramson等可以看出对出流过程中,即充液率时刻变化的情况下,液体的晃动及防晃的研究目前鲜见相关文献报道。然而在发射任务中,贮箱内液体的充液率必然会随着液体的出流而时刻变化,进而贮箱内液体的晃动特性也发生改变,对航天器稳定性、推进剂管理等产生影响。因此有必要对出流过程中贮箱内液体的晃动及防晃开展研究。本文针对某航天器贮箱,采用Fluent软件的VOF方法,对贮箱在定流量出流过程中受到外在激励时,液面的晃动特性进行研究,分析液体出流对晃动的影响,并对贮箱增设多层水平环形防晃板,研究出流过程中防晃板宽度、分布对液体晃动的抑制效果。1数学和物理模型1.1单元内部混合相本文研究的对象为贮箱内的气液两相流动,通过基于有限体积法的VOF方法来计算贮箱出流时液体的晃动。VOF方法的基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数φ在固定的欧拉网格下,各相共享单一的连续方程以及动量、能量方程。连续性方程其中ρ为混合相密度,V为两相流体的公共速度矢量。对于两相流,其单元内混合相的密度表示为式中ρ动量方程式中g为重力加速度;F为体积力;p为压强。能量方程式中E为混合相能量,κ在确定哪些单元包含自由边界后,根据φ1.2贮箱、防摇板本文研究的贮箱模型由圆柱段、上下蝶形封头以及上部增压气体入口管路、下部推进剂出流管路组成。贮箱直径为2m,圆柱段长为3m,蝶形封头高0.35m。防晃板为环形水平防晃板。贮箱及防晃板示意图如图1所示。2水面摆动计算贮箱顶部增压气体为空气,计算工质为水。增压排液过程中,箱内始终存在气液分界面,且互不穿插,采用VOF多相流模型对液面晃动进行瞬态计算。由于晃动过程中部分流体处于湍流状态,因此湍流模型采用标准双方程k-ε模型。贮箱所受水平加速度激励为a对贮箱模型划分三组不同疏密程度的六面体结构网格进行网格无关性验证,如表1所示。从表1中可以看到三种网格的计算结果差异极小,为保证结果精度与计算效率,选择节点数为49296的网格进行计算。2.1精度验证采用VOF方法对文献从图2的对照结果可以看出,VOF计算结果与实验结果吻合良好,能较准确地模拟出自由液面的形状。对文献2.2贮箱液体加速度作用图4、图5展示了贮箱出流与未出流的液体横向、纵向重心变化结果(其中C对比有无简谐激励作用,可以看到,在简谐激励作用下,液体横向重心变化均有明显的波动。当贮箱出流时,横向重心的波动振幅逐渐增大,较未出流时最大幅值比为4.1。图6～图8展示了部分时刻的液体晃动图。对比图6、图8可以发现,随着液体出流,充液率减少,液体晃动的波面图变化不大,但液体体积与贮箱体积比值减小,液体质心的变化在贮箱内的波动范围增大;另一方面,液体的惯性力减小,晃动质量减小,导致晃动阻尼变小,对外加激励的耗散变慢,因此,横向重心的波动幅度随着充液率减小而增大。纵向重心随着出流逐渐减小,由于外在激励的作用,重心会存在略微波动,波动幅值很小。与无激励作用出流时对比,纵向重心变化较快,表明激励作用对液体纵向重心影响较大。监测贮箱壁面A点(A点位于圆柱段0.1m处,如图1所示)压强变化情况,如图9所示。当无出流时,A点所受压强(p2.3不同防摇板宽度下液体横向重心变化根据宽径比即防晃板宽度与贮箱内径之比(w/d)设计了四种不同宽度的环形水平防晃板,分别为w=0.1m(w/d=0.05),w=0.2m(w/d=0.1),w=0.3m(w/d=0.15),w=0.4m(w/d=0.2),层数为五层,均布在圆柱段。将无防晃板与设置宽径比w/d=0.1的防晃板的晃动计算结果对比,如图10所示,可以看出增设防晃板时液体横向重心变化明显减小,特别是在后期对晃动振幅的抑制更为明显,横向重心波动范围下降达到48%。图11展示了设置不同宽径比防晃板时液体横向重心变化。图12展示了防晃板上B点(B点位于最高层防晃板边缘,如图1所示)的压强(p将四种不同宽径比防晃板与无防晃板贮箱对比,四种防晃板均能显著抑制液体横向重心波动。当设置防晃板时,液体横向重心变化的最大幅值呈先增大再减小再增大的简谐式波动,分析原因为,五层防晃板均布于圆柱段,当液体晃动冲击到防晃板时,防晃板会承受一个持续的冲击力,防晃板作用使晃动液体的分布随之改变,系统能量耗散,从而液体重心变化幅度减小;当液体晃动最大幅值未能冲击防晃板时,液体重心变化幅度又逐渐增大,因此随着充液率减小,液体横向重心变化呈简谐式变化。从图11可以发现当防晃板宽径比为0.2时,防晃整体效果最好。图13～图16展示了设置四种宽径比防晃板时的液体晃动图,对比可以发现,由于液体晃动会冲击防晃板,防晃板宽度越宽,液体更易撞击防晃板,快速耗散晃动能量,但随着防晃板宽度得增加对贮箱的结构、质量有所影响。从图12中可以看出,当宽径比为0.15时,防晃板上B点压强幅值明显大于另外三种防晃板;当宽径比0.2时,防晃板B点贮箱的有压强值最小;当宽径比为0.1时,防晃板上B点压强大于宽径比0.2,小于另外两种宽径比压强。当宽径比从0.1增大至0.2时,防晃板质量增大0.78倍。通过以上四种不同宽径比的防晃板对比,设置宽径比为0.1的防晃板能使贮箱受力与防晃效果达到一个优化值。2.4不同充液率下贮箱液体摆动的分布根据防晃板间间隔与圆柱段长之比(s/l)设计了三种不同分布的防晃板,分别为四层(s/l=0.2),五层(s/l=0.167),6层(s/l=0.143),均布在圆柱段,宽径比均为0.1。图17展示了不同分布防晃板作用时液体横向重心变化情况。从图17的对比结果可以看出,三种分布的防晃板均对晃动有所抑制,贮箱波动幅值增长较缓。在80s后四层防晃板液体晃动幅度明显大于五层、六层的防晃板分布,主要原因是随着充液率减少,液体晃动幅度增大,五层、六层防晃板布置较密,对晃动的抑制效果更为显著。图18～图20展示了不同分布防晃板的部分时刻液体晃动图,对比可以发现,增加防晃板分布的作用在于增大防晃板的作用区域,使晃动液体更易接触防晃板,达到耗散晃动能量的目的。对比五层、六层两种分布,横向重心变化曲线大部分重叠,表明五层、六层防晃板布置对晃动抑制效果相近。从图20(c)～图20(d)中可以发现,大部分晃动液体处于第二层防晃板下部,而上部残留了一些液体。当防晃板分布较密时,液体可能由于黏性力作用而残留一部分在防晃板上部。图21展示了三种分布的防晃板作用时液体纵向重心变化图,对比可以看出,防晃板层数为五层时纵向重心变化较缓,最大偏移为0.857m。四层、六层最大偏移分别为0.967、0.917m。通过以上三种分布的防晃板对比,在防晃板为五层(s/l=0.167)时防晃板布置最为理想,不仅可以有效抑制防晃,同时可以避免由于防晃板层数较多而增加的贮箱质量。3防摇板设置位置本文研究了典型航天器贮箱在出流过程中,受到简谐加速度激励作用时,液体出流对液体晃动的影响,对比了有无防晃板时的液体的晃动情况和不同防晃板宽度、分布对防晃效果的影响,本文的研究方法可应用于任意形状贮箱出流的晃动计算。具体结论如下:1)贮箱出流过程中,液体重心波动振幅随着充液率的减小逐渐增大,且幅度明显大于贮箱未出流时液体的波动幅度。2)在贮箱内增设水平防晃板能有效抑制液体晃动,液体横向重心变化明显减小,尤其在出流后期,充液率较小的情况下,对液体晃动的抑制更为明显。3)防