基于微重力开孔槽道自由界面流动理论的卫星板式贮箱优化设计
批准号:
52105290
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
吴宗谕
依托单位:
学科分类:
机械设计学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
吴宗谕
中文摘要
板式贮箱因其质量轻、可靠性高、成本低、可重复使用等优势得到了越来越广泛的应用。但是板式贮箱的工作原理决定了其无法在地面重力环境下进行性能测试,其设计合理性主要依靠充分的理论分析和微重力实验验证。因此尽管板式贮箱结构简单,但其设计和测试难度远大于其他类型的贮箱。本项目以板式贮箱设计为背景,以提升其工作性能为目的,针对来源于板式贮箱推进剂管理过程中的开孔槽道自由界面流动问题展开深入研究,揭示开孔参数、槽道结构、物性参数等耦合作用下的自由界面流动特性。基于开孔槽道自由界面流动理论研究,开展板式贮箱方案优化设计,并通过CFD数值仿真和微重力实验验证优化设计方法的有效性。本项目的实施,将进一步丰富和发展微重力自由界面流动机理研究,为板式贮箱设计提供理论支撑,对于提高板式贮箱设计水平、缩短研制周期、降低贮箱开发成本具有工程应用价值。
英文摘要
The vane-type tank is widely used because of its advantages of light weight, high reliability, low cost and reusability. However, the vane-type tank cannot be tested on the ground, and its design rationality mainly depends on the full theoretical analysis and microgravity experiment verification. Therefore, although the structure of vane-type tank is simple, its design and test are much more difficult than other types of tanks. In this project, based on the design of vane-type tank, in order to improve its working performance, in-depth research on the free surface flow of perforated channel from the propellant management process of vane-type tank is carried out, and the free surface flow characteristics under the coupling effect of perforated parameters, channel structure and physical parameters are revealed. Based on the theoretical study of free surface flow in perforated channels, the optimization design of vane-type tank is carried out, and the effectiveness of the optimization design method is verified by CFD numerical simulations and microgravity experiments. The implementation of this project will further enrich and develop the research of free surface flow mechanism, provide theoretical support for the design of vane-type tank, and have engineering application value for improving the design level of vane-type tank, shortening the development cycle and reducing the development cost of the tank.
板式贮箱因其质量轻、可靠性高、成本低、可重复使用等优势得到了越来越广泛的应用。本项目以卫星板式贮箱设计为背景,针对来源于板式贮箱推进剂管理过程中的开孔槽道自由界面流动问题展开深入研究。首先,开展了开孔槽道内的流动阻力系数及接触角建模,进而分析了微重力下的开孔槽道压差驱动自由界面流动特性、微重力下的开孔槽道表面张力驱动自由界面流动特性,揭示了开孔参数、槽道结构、物性参数等的耦合作用对开孔槽道自由界面流动特性的影响机理。结果表明,开孔率越大压差驱动自由界面流临界流量越大、表面张力驱动自由界面流动速度越慢,反之亦然。.基于开孔槽道自由界面流动理论研究,开展了不同构型贮箱的建模分析。针对内导流板构型、外导流板构型、内外导流板构型开孔槽道贮箱,基于开孔槽道自由界面流动理论,分别建立了导流能力模型、排液模型等。在上述贮箱分析模型的基础上,综合考虑了导流、排液、抗干扰、质量等多个指标,开展了板式贮箱多目标优化设计。.通过CFD数值仿真,重点仿真了不同填充率下,贮箱在零重力、加速度干扰、发动机关停机工况下的板式贮箱内推进剂流动,测试了板式贮箱的抗干扰能力、重定位时间等性能指标。最后,借助中科院力学所国家微重力实验室的3.5s落塔开展了板式贮箱微重力实验验证。.本项目的研究成果进一步发展了微重力自由界面流动机理研究,为卫星板式贮箱设计提供了理论支撑,对于提高板式贮箱设计水平、缩短研制周期、降低贮箱开发成本具有工程应用价值。
国内基金
海外基金