[发明专利]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

摘要

本发明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0ggm1g条件下两相流体系统重力无关的特征参数选取准则。

主权项

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＝ρ_l‑ρ_v，ρ_l为流体中气体的密度，ρ_v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)d_p²，f(ε)为关于孔隙率的表达式，d_p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d_p≤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。