基于vof方法的航天器貯箱出流過程液體晃動及防晃板研究

基于vof方法的航天器貯箱出流過程液體晃動及防晃板研究

在爆炸過程中，儲存室內(nèi)液體燃料的過程會造成嚴(yán)重的擾動，這將對整個系統(tǒng)的動力學(xué)產(chǎn)生重大影響，并在嚴(yán)重的情況下導(dǎo)致任務(wù)失敗。從現(xiàn)有的文獻資料來看,對液體晃動問題的研究主要集中于對固定充液率下貯箱內(nèi)的液體晃動研究。20世紀(jì)60年代,Abramson等可以看出對出流過程中,即充液率時刻變化的情況下,液體的晃動及防晃的研究目前鮮見相關(guān)文獻報道。然而在發(fā)射任務(wù)中,貯箱內(nèi)液體的充液率必然會隨著液體的出流而時刻變化,進而貯箱內(nèi)液體的晃動特性也發(fā)生改變,對航天器穩(wěn)定性、推進劑管理等產(chǎn)生影響。因此有必要對出流過程中貯箱內(nèi)液體的晃動及防晃開展研究。本文針對某航天器貯箱,采用Fluent軟件的VOF方法,對貯箱在定流量出流過程中受到外在激勵時,液面的晃動特性進行研究,分析液體出流對晃動的影響,并對貯箱增設(shè)多層水平環(huán)形防晃板,研究出流過程中防晃板寬度、分布對液體晃動的抑制效果。1數(shù)學(xué)和物理模型1.1單元內(nèi)部混合相本文研究的對象為貯箱內(nèi)的氣液兩相流動,通過基于有限體積法的VOF方法來計算貯箱出流時液體的晃動。VOF方法的基本原理是通過研究網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積比函數(shù)φ在固定的歐拉網(wǎng)格下,各相共享單一的連續(xù)方程以及動量、能量方程。連續(xù)性方程其中ρ為混合相密度,V為兩相流體的公共速度矢量。對于兩相流,其單元內(nèi)混合相的密度表示為式中ρ動量方程式中g(shù)為重力加速度;F為體積力;p為壓強。能量方程式中E為混合相能量,κ在確定哪些單元包含自由邊界后,根據(jù)φ1.2貯箱、防搖板本文研究的貯箱模型由圓柱段、上下蝶形封頭以及上部增壓氣體入口管路、下部推進劑出流管路組成。貯箱直徑為2m,圓柱段長為3m,蝶形封頭高0.35m。防晃板為環(huán)形水平防晃板。貯箱及防晃板示意圖如圖1所示。2水面擺動計算貯箱頂部增壓氣體為空氣,計算工質(zhì)為水。增壓排液過程中,箱內(nèi)始終存在氣液分界面,且互不穿插,采用VOF多相流模型對液面晃動進行瞬態(tài)計算。由于晃動過程中部分流體處于湍流狀態(tài),因此湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)雙方程k-ε模型。貯箱所受水平加速度激勵為a對貯箱模型劃分三組不同疏密程度的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,如表1所示。從表1中可以看到三種網(wǎng)格的計算結(jié)果差異極小,為保證結(jié)果精度與計算效率,選擇節(jié)點數(shù)為49296的網(wǎng)格進行計算。2.1精度驗證采用VOF方法對文獻從圖2的對照結(jié)果可以看出,VOF計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好,能較準(zhǔn)確地模擬出自由液面的形狀。對文獻2.2貯箱液體加速度作用圖4、圖5展示了貯箱出流與未出流的液體橫向、縱向重心變化結(jié)果(其中C對比有無簡諧激勵作用,可以看到,在簡諧激勵作用下,液體橫向重心變化均有明顯的波動。當(dāng)貯箱出流時,橫向重心的波動振幅逐漸增大,較未出流時最大幅值比為4.1。圖6～圖8展示了部分時刻的液體晃動圖。對比圖6、圖8可以發(fā)現(xiàn),隨著液體出流,充液率減少,液體晃動的波面圖變化不大,但液體體積與貯箱體積比值減小,液體質(zhì)心的變化在貯箱內(nèi)的波動范圍增大;另一方面,液體的慣性力減小,晃動質(zhì)量減小,導(dǎo)致晃動阻尼變小,對外加激勵的耗散變慢,因此,橫向重心的波動幅度隨著充液率減小而增大?？v向重心隨著出流逐漸減小,由于外在激勵的作用,重心會存在略微波動,波動幅值很小。與無激勵作用出流時對比,縱向重心變化較快,表明激勵作用對液體縱向重心影響較大。監(jiān)測貯箱壁面A點(A點位于圓柱段0.1m處,如圖1所示)壓強變化情況,如圖9所示。當(dāng)無出流時,A點所受壓強(p2.3不同防搖板寬度下液體橫向重心變化根據(jù)寬徑比即防晃板寬度與貯箱內(nèi)徑之比(w/d)設(shè)計了四種不同寬度的環(huán)形水平防晃板,分別為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),層數(shù)為五層,均布在圓柱段。將無防晃板與設(shè)置寬徑比w/d=0.1的防晃板的晃動計算結(jié)果對比,如圖10所示,可以看出增設(shè)防晃板時液體橫向重心變化明顯減小,特別是在后期對晃動振幅的抑制更為明顯,橫向重心波動范圍下降達到48%。圖11展示了設(shè)置不同寬徑比防晃板時液體橫向重心變化。圖12展示了防晃板上B點(B點位于最高層防晃板邊緣,如圖1所示)的壓強(p將四種不同寬徑比防晃板與無防晃板貯箱對比,四種防晃板均能顯著抑制液體橫向重心波動。當(dāng)設(shè)置防晃板時,液體橫向重心變化的最大幅值呈先增大再減小再增大的簡諧式波動,分析原因為,五層防晃板均布于圓柱段,當(dāng)液體晃動沖擊到防晃板時,防晃板會承受一個持續(xù)的沖擊力,防晃板作用使晃動液體的分布隨之改變,系統(tǒng)能量耗散,從而液體重心變化幅度減小;當(dāng)液體晃動最大幅值未能沖擊防晃板時,液體重心變化幅度又逐漸增大,因此隨著充液率減小,液體橫向重心變化呈簡諧式變化。從圖11可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)防晃板寬徑比為0.2時,防晃整體效果最好。圖13～圖16展示了設(shè)置四種寬徑比防晃板時的液體晃動圖,對比可以發(fā)現(xiàn),由于液體晃動會沖擊防晃板,防晃板寬度越寬,液體更易撞擊防晃板,快速耗散晃動能量,但隨著防晃板寬度得增加對貯箱的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量有所影響。從圖12中可以看出,當(dāng)寬徑比為0.15時,防晃板上B點壓強幅值明顯大于另外三種防晃板;當(dāng)寬徑比0.2時,防晃板B點貯箱的有壓強值最小;當(dāng)寬徑比為0.1時,防晃板上B點壓強大于寬徑比0.2,小于另外兩種寬徑比壓強。當(dāng)寬徑比從0.1增大至0.2時,防晃板質(zhì)量增大0.78倍。通過以上四種不同寬徑比的防晃板對比,設(shè)置寬徑比為0.1的防晃板能使貯箱受力與防晃效果達到一個優(yōu)化值。2.4不同充液率下貯箱液體擺動的分布根據(jù)防晃板間間隔與圓柱段長之比(s/l)設(shè)計了三種不同分布的防晃板,分別為四層(s/l=0.2),五層(s/l=0.167),6層(s/l=0.143),均布在圓柱段,寬徑比均為0.1。圖17展示了不同分布防晃板作用時液體橫向重心變化情況。從圖17的對比結(jié)果可以看出,三種分布的防晃板均對晃動有所抑制,貯箱波動幅值增長較緩。在80s后四層防晃板液體晃動幅度明顯大于五層、六層的防晃板分布,主要原因是隨著充液率減少,液體晃動幅度增大,五層、六層防晃板布置較密,對晃動的抑制效果更為顯著。圖18～圖20展示了不同分布防晃板的部分時刻液體晃動圖,對比可以發(fā)現(xiàn),增加防晃板分布的作用在于增大防晃板的作用區(qū)域,使晃動液體更易接觸防晃板,達到耗散晃動能量的目的。對比五層、六層兩種分布,橫向重心變化曲線大部分重疊,表明五層、六層防晃板布置對晃動抑制效果相近。從圖20(c)～圖20(d)中可以發(fā)現(xiàn),大部分晃動液體處于第二層防晃板下部,而上部殘留了一些液體。當(dāng)防晃板分布較密時,液體可能由于黏性力作用而殘留一部分在防晃板上部。圖21展示了三種分布的防晃板作用時液體縱向重心變化圖,對比可以看出,防晃板層數(shù)為五層時縱向重心變化較緩,最大偏移為0.857m。四層、六層最大偏移分別為0.967、0.917m。通過以上三種分布的防晃板對比,在防晃板為五層(s/l=0.167)時防晃板布置最為理想,不僅可以有效抑制防晃,同時可以避免由于防晃板層數(shù)較多而增加的貯箱質(zhì)量。3防搖板設(shè)置位置本文研究了典型航天器貯箱在出流過程中,受到簡諧加速度激勵作用時,液體出流對液體晃動的影響,對比了有無防晃板時的液體的晃動情況和不同防晃板寬度、分布對防晃效果的影響,本文的研究方法可應(yīng)用于任意形狀貯箱出流的晃動計算。具體結(jié)論如下:1)貯箱出流過程中,液體重心波動振幅隨著充液率的減小逐漸增大,且幅度明顯大于貯箱未出流時液體的波動幅度。2)在貯箱內(nèi)增設(shè)水平防晃板能有效抑制液體晃動,液體橫向重心變化明顯減小,尤其在出流后期,充液率較小的情況下,對液體晃動的抑制更為明顯。3)防