馬原, 孫靖陽, 厲彥忠, 汪彬, 李楊

(1.西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系, 710049, 西安; 2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 201109, 上海)

針對液體推進(jìn)劑系統(tǒng),航天器在軌點(diǎn)火、推進(jìn)劑在軌傳輸?shù)冗^程均需要單相液體的穩(wěn)定供給。微重力條件下,氣液相分布具有很大的隨機(jī)性,必須采取推進(jìn)劑管理技術(shù)對貯箱內(nèi)的氣液相進(jìn)行控制與管理,才能保障單相液體的穩(wěn)定獲取[1-2]。篩網(wǎng)式液體獲取裝置(LAD)能夠有效利用表面張力和毛細(xì)作用實(shí)現(xiàn)液相推進(jìn)劑的持續(xù)獲取,對于流體物性、軌道環(huán)境、流量需求等因素的敏感度較低,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于常溫推進(jìn)劑的在軌管理,并被認(rèn)為是低溫推進(jìn)劑最理想的氣液分離與全液獲取方法[3-4]。

圖1給出了一種四通道篩網(wǎng)式LAD的結(jié)構(gòu)示意圖[5]。貯箱內(nèi)均勻布置4個液體獲取通道,通道近壁側(cè)安裝有一層多孔金屬篩網(wǎng),其他面為金屬固壁。由金屬細(xì)絲編制而成的篩網(wǎng)具有大量微米級孔隙,能夠依靠表面張力和毛細(xì)作用引流液體進(jìn)入通道匯集于出液口,同時對氣體發(fā)揮阻隔作用,從而實(shí)現(xiàn)氣液分離與單相液體的獲取。

圖1 篩網(wǎng)通道式LAD液體獲取過程示意圖[5]Fig.1 Schematic diagram of the liquid acquisition process of the screen channel LAD[5]

該裝置的氣體阻隔作用主要反映為金屬篩網(wǎng)的泡破壓力,泡破壓力越大,氣體阻隔能力越強(qiáng)[6]。早期,研究學(xué)者針對甲醇、水、硅油、氟利昂等多種常溫流體開展了金屬篩網(wǎng)泡破壓力的實(shí)驗(yàn)研究[7-9]。隨后,NASA研究人員先后對金屬篩網(wǎng)在液氧、液態(tài)甲烷、液氮、液氫等低溫流體內(nèi)的泡破壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,考察了篩網(wǎng)類型、流體溫度、系統(tǒng)壓力等因素對篩網(wǎng)泡破性能的影響規(guī)律[10-12]。然而,相關(guān)文獻(xiàn)雖然提供了大量的泡破壓力測量數(shù)據(jù),但是并未針對泡破測量過程的特性規(guī)律以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法給出詳細(xì)介紹。

我國在低溫推進(jìn)劑氣液管理方面的研究起步較晚,針對篩網(wǎng)式液體獲取裝置,Ma等對荷蘭斜紋篩網(wǎng)(DTW)的液體芯吸特性開展了常溫及低溫實(shí)驗(yàn)測試,并構(gòu)建了反映低溫流體蒸發(fā)作用的芯吸計(jì)算模型[13-17]。針對篩網(wǎng)的泡破壓力特性,國內(nèi)尚未開展系統(tǒng)的深入研究。因此,本文針對3種編織密度的DTW篩網(wǎng),采用異丙醇為實(shí)驗(yàn)工質(zhì),開展了不同增壓速率下的泡破壓力可視化測試,并基于靜態(tài)泡破壓力模型計(jì)算得到了3種篩網(wǎng)樣本的有效微孔直徑。相關(guān)工作可為LAD性能評估、設(shè)計(jì)優(yōu)化以及空間低溫系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 泡破壓力預(yù)測模型

泡破壓力ΔpBP是指第一個氣泡穿透時篩網(wǎng)兩側(cè)的壓差。圖2給出了金屬篩網(wǎng)內(nèi)任一微孔的剖面示意。首先,液體(僅適用于與壁面接觸角小于90°的潤濕性液體)在毛細(xì)力驅(qū)動下能夠完全填充孔隙并在孔隙中通流。在表面張力的作用下,氣液界面兩側(cè)能夠承受一定的壓差,封阻氣相的穿過。當(dāng)氣相側(cè)壓力不斷升高使篩網(wǎng)兩側(cè)壓差超過泡破壓力時,孔隙內(nèi)氣液界面將無法繼續(xù)阻止氣體穿過,從而失去全液獲取能力[9]。

圖2 氣相穿透潤濕篩網(wǎng)微尺度通道的過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the bubble breakthrough across the micro-channel in the wet screen

基于毛細(xì)理論,兩靜態(tài)流體界面間因表面張力引起的壓力差可以通過楊氏-拉普拉斯方程進(jìn)行計(jì)算,合力方向指向界面凹面所指方向[18]。該壓差與流體表面張力、界面曲率等因素有關(guān),如下式所示

(1)

式中:p(+)、p(-)為界面凸側(cè)、凹側(cè)界面壓力;σ為表面張力;Rmax、Rmin為界面最大、最小曲率半徑。對于橫截面為圓形的直毛細(xì)管(見圖3),Rmax與Rmin相等,上式可以簡化為[19]

(2)

式中:θ為接觸角;dc為毛細(xì)管直徑。

圖3 潤濕性液體毛細(xì)現(xiàn)象與界面特征Fig.3 Capillarity action and interface characteristics of wetting liquid

鑒于流體在篩網(wǎng)內(nèi)的流動與毛細(xì)管流動的相似性,研究學(xué)者將篩網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微尺度通道簡化,假設(shè)為一組截面為圓形的直通道,且直徑相同的毛細(xì)管束,基于式(2)提出了計(jì)算篩網(wǎng)靜態(tài)泡破壓力的簡化模型[20]

(3)

式中DP為篩網(wǎng)有效微孔直徑,即將篩網(wǎng)內(nèi)復(fù)雜的三維通道結(jié)構(gòu)等效簡化為直通道的、橫截面為圓形的毛細(xì)管對應(yīng)的直徑。DP由篩網(wǎng)編織結(jié)構(gòu)決定,但并不是多孔篩網(wǎng)的客觀結(jié)構(gòu)參數(shù),無法通過直接測量得到,通常采用測量泡破壓力的方法由式(3)反算獲得[21]。由于不銹鋼材料熱膨脹系數(shù)較小,應(yīng)用于不同溫區(qū)時不會產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)變化,即篩網(wǎng)DP基本不變[22]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,式(3)能夠廣泛適用于多種常溫與低溫流體[7-12]?；诖?有研究學(xué)者首先采用常溫標(biāo)準(zhǔn)溶液(如異丙醇)進(jìn)行泡破壓力測試,計(jì)算獲得該篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的DP后,替換低溫流體物性對該篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的低溫泡破壓力進(jìn)行計(jì)算預(yù)測[23]。

2 泡破壓力測試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示,主要包括液池、增壓腔、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),增壓腔通過支撐連桿固定于金屬法蘭下端。如圖5所示,篩網(wǎng)樣本通過可拆卸法蘭配合銦絲密封安裝于增壓腔上端面,樣本更換方便。篩網(wǎng)樣本兩側(cè)布置有溫度和壓力測點(diǎn)。溫度傳感器采用Lakeshore鉑電阻PT111,精度0.1 K。壓差傳感器采用EJA110E,精度0.055%。

圖4 可視化泡破壓力測試系統(tǒng)簡圖 Fig.4 Diagram of the visual testing system for bubble point pressure

圖5 篩網(wǎng)樣本安裝位置Fig.5 Installation site of the screen sample

開展實(shí)驗(yàn)時,首先加注液體至液位完全沒過增壓腔,待系統(tǒng)穩(wěn)定后打開調(diào)節(jié)針閥向增壓腔注入氣體,建立增壓腔內(nèi)外壓差,即篩網(wǎng)樣本兩側(cè)壓差。增壓速率通過調(diào)節(jié)針閥開度進(jìn)行控制。篩網(wǎng)樣本上、下兩側(cè)壓力分別由引壓管引入壓差傳感器進(jìn)行測量。增壓過程中,當(dāng)觀測到有氣泡冒出時表示篩網(wǎng)樣本發(fā)生泡破,測量得到的篩網(wǎng)兩側(cè)壓差數(shù)據(jù)即為泡破壓力。

本次實(shí)驗(yàn)采用3種編織密度的DTW不銹鋼篩網(wǎng)作為測試樣本,具體參數(shù)列于表1。以DTW 200×600為例,表示一平方英寸(6.451 6 cm2)的篩網(wǎng)由200根經(jīng)絲和600根緯絲編織而成。由于經(jīng)緯絲直徑和數(shù)量的差異,所形成的篩網(wǎng)有效微孔直徑不同,導(dǎo)致不同篩網(wǎng)針對相同流體的泡破壓力不同,如式(3)所示。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)采用異丙醇,相關(guān)物性參數(shù)列于表2。

表1 DTW篩網(wǎng)樣本結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 異丙醇物性參數(shù)[23-24]

3 結(jié)果與討論

本文針對3種篩網(wǎng)樣本在異丙醇中的泡破特性開展了多組變工況測試。

圖6 泡破壓力測試過程的典型數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Typical data curve of the testing process of bubble point pressure

圖6展示了一組DTW 200×600測量過程的壓差數(shù)據(jù)。開始測試前,篩網(wǎng)兩側(cè)壓差很小。在25 s左右打開進(jìn)氣閥,增壓腔壓力伴隨氣體注入不斷上升,注氣速率較為穩(wěn)定,篩網(wǎng)兩側(cè)壓差基本呈線性增長。圖6所示工況的增壓速率約為20 Pa·s-1,在100 s左右壓差達(dá)到最大值,同時觀察到篩網(wǎng)上有氣泡溢出,這個壓差峰值即為該工況下的泡破壓力。伴隨著泡破過程對增壓腔的泄壓作用,篩網(wǎng)兩側(cè)壓差產(chǎn)生了一定程度的回落。隨后,注氣的增壓作用與泡破的泄壓作用逐漸達(dá)到動態(tài)平衡,篩網(wǎng)兩側(cè)壓差在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定波動。

針對3種篩網(wǎng)樣本,分別開展了多組不同增壓速率下的泡破壓力測試。以DTW 100×800篩網(wǎng)樣本為例,取4組典型工況進(jìn)行對比分析,結(jié)果如圖7所示,可見增壓速率較小的兩組工況曲線呈現(xiàn)出與圖6相似的變化規(guī)律。

圖7 不同增壓速率下篩網(wǎng)壓差數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Curves of the pressure difference across screen at different pressurization rates

進(jìn)一步提高增壓速率,壓差曲線雖然仍具有線性增壓和達(dá)到峰值后回落的變化特點(diǎn),但最終達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定的壓差明顯高于低增壓速率工況的穩(wěn)定值(51.5 Pa·s-1工況曲線)。這主要是由于流量越大,篩網(wǎng)流動阻力越大引起的。當(dāng)增壓速率繼續(xù)增大至一定值后,篩網(wǎng)壓差轉(zhuǎn)變?yōu)檠杆偕吆笾饾u趨于穩(wěn)定波動的變化規(guī)律,不再具有明顯的峰值特點(diǎn)(252.2 Pa·s-1工況曲線),最終達(dá)到的動態(tài)穩(wěn)定值也更高。

圖8展示了不同增壓速率下DTW 100×800篩網(wǎng)泡破過程的氣泡狀態(tài)。當(dāng)增壓速率較小時,個別位置輕度泡破的泄壓能力即可平衡注氣增壓的作用,動態(tài)穩(wěn)定過程的壓力波動幅度很小。隨著增壓速率的增大,篩網(wǎng)泡破的范圍和強(qiáng)度均隨之增大,從而以更強(qiáng)的泄壓能力抵消不斷提高的增壓作用,其動態(tài)平衡過程的不穩(wěn)定性也就越大。

進(jìn)一步分析各組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),3種篩網(wǎng)樣本在不同增壓速率下測量得到的泡破壓力呈現(xiàn)出了相似的變化規(guī)律,均為先線性降低后趨于穩(wěn)定,如圖9所示。由圖可知,在增壓速率較小的一定范圍內(nèi),提高增壓速率,將導(dǎo)致篩網(wǎng)在更低的壓差下發(fā)生泡破,即篩網(wǎng)氣泡阻隔能力下降,當(dāng)增壓速率增大到一定程度后,將不再對泡破壓力產(chǎn)生明顯的影響。

(a)1.26 Pa·s-1 (b)14.3 Pa·s-1

(c)51.5 Pa·s-1 (d)252.2 Pa·s-1圖8 不同增壓速率下篩網(wǎng)泡破現(xiàn)象Fig.8 Bubble breakthrough across screen at different pressurization rates

由于式(3)為靜態(tài)泡破壓力的計(jì)算模型,當(dāng)利用該式求解篩網(wǎng)的有效微孔直徑時,理論上應(yīng)代入增壓速率為零時測得的泡破壓力。也就是說,理論上,靜態(tài)泡破壓力是無法通過實(shí)驗(yàn)測量準(zhǔn)確獲得的。因此,本文采用線性擬合方法對不同篩網(wǎng)的靜態(tài)泡破壓力進(jìn)行計(jì)算預(yù)測。由于泡破壓力隨增壓速率的線性變化關(guān)系僅在較低增壓速率范圍內(nèi)較為明顯,結(jié)合不同增壓速率下壓差數(shù)據(jù)的變化特征(見圖7),僅取具有圖6典型曲線特征的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。線性擬合結(jié)果已在圖9中注明,線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.95,反映了良好的線性度關(guān)系。

表3列出了3種篩網(wǎng)在異丙醇工質(zhì)內(nèi)的靜態(tài)泡破壓力,即圖9中線性擬合式的截距。同時,表3還列出了將靜態(tài)泡破壓力和流體物性參數(shù)代入式(3)計(jì)算得到的有效微孔直徑。可以看出,隨著篩網(wǎng)編織密度的增加,篩網(wǎng)有效微孔直徑減小,泡破壓力增大。也就是說,編織越密的篩網(wǎng)具有更強(qiáng)的氣體阻隔能力。

表3 3種篩網(wǎng)樣本的靜態(tài)泡破壓力和有效微孔直徑

(a)DTW 100×800,t=(10.56±0.08) ℃

(b)DTW 200×600,t=(10.38±0.15) ℃

(c)DTW 200×1 400,t=(10.64±0.33) ℃圖9 泡破壓力與增壓速率的關(guān)系 Fig.9 Relationship between bubble point pressure and pressurization rate

4 結(jié)束語

本文針對DTW 100×800、200×600和200×1 400共3種編織密度的不銹鋼篩網(wǎng),以異丙醇為工質(zhì),進(jìn)行了不同增壓速率下的泡破壓力測試,主要結(jié)論如下。

(1)隨著增壓速率的升高,篩網(wǎng)樣本在異丙醇液體中的泡破壓力呈現(xiàn)出先降低后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,篩網(wǎng)泡破強(qiáng)度不斷增大,從局部小氣泡溢出逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇竺娣e劇烈泡破。

(2)在增壓速率較低時,泡破壓力隨增壓速率呈現(xiàn)出良好的線性遞減趨勢,通過數(shù)據(jù)線性擬合,得到了3種篩網(wǎng)樣本在異丙醇液體中的靜態(tài)泡破壓力,靜態(tài)泡破壓力高于動態(tài)泡破壓力。

(3)隨著篩網(wǎng)編織密度的增加,篩網(wǎng)有效微孔直徑逐漸降低,泡破壓力逐漸增大,體現(xiàn)出更強(qiáng)的氣體阻隔能力?；诒疚墨@得的有效微孔直徑,可以通過式(3)對3種篩網(wǎng)在不同流體內(nèi)的泡破特性進(jìn)行初步預(yù)測。