短周期任務(wù)的航天器，在任務(wù)結(jié)束后要放掉工質(zhì)，以減輕重量，提高安全性和可靠性。基于兩相混合流動(dòng)及液體閃蒸、閃蒸波理論，結(jié)合壓力突降過程液態(tài)全氟三乙胺閃蒸試驗(yàn)，對(duì)1 /6 g 重力、高真空環(huán)境排放流體回路管道內(nèi)液態(tài)全氟三乙胺工質(zhì)的過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，全氟三乙胺工質(zhì)向真空排放時(shí)會(huì)發(fā)生閃蒸，回路系統(tǒng)內(nèi)液體工質(zhì)的排放時(shí)間主要取決于壓力排放段、重力輔助排放段和閃蒸波傳播段；其中，僅重力輔助排放段依賴于重力，閃蒸波傳播段時(shí)間最長(zhǎng)；試驗(yàn)觀測(cè)閃蒸波在內(nèi)徑9 mm 塑料管內(nèi)的傳播速度為0.23 m/ s，比Simes - Moreira & Shepherd 簡(jiǎn)化模型預(yù)測(cè)結(jié)果偏大。

　　引言

　　越來越多短任務(wù)周期的航天器，在任務(wù)結(jié)束后需要放掉不必要的工質(zhì)，以減輕重量，提高安全性和可靠性。在軌工質(zhì)排放屬于典型的真空環(huán)境中的液體排放問題，真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)認(rèn)為還涉及液體閃蒸與氣液兩相臨界流動(dòng)等復(fù)雜過程。

　　多年來，氣液兩相臨界流得到廣泛地關(guān)注，并得出了許多預(yù)測(cè)氣液兩相臨界流動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)或分析模型。Elias 和Lellouche對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模型對(duì)不同條件的適用能力依賴于模型所采用的控制方程，及對(duì)相界面?zhèn)鬟f過程的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)。對(duì)于非等截面和非直管道，加速壓降及彎頭損失會(huì)加劇液體壓力的下降，臨界流動(dòng)也有可能發(fā)生在出口之前。Celate，F(xiàn)raser 和Abdelmessih，趙建福，Du等大量實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于過冷態(tài)的水流而言，閃蒸往往發(fā)生在靠近出口的地方，兩相流動(dòng)段非常小，可以忽略不計(jì)。

　　另一方面，閃蒸點(diǎn)壓力“過沖”與內(nèi)部壓力相比也可以忽略不計(jì)，因此，可將內(nèi)部高過冷條件下流道內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)簡(jiǎn)化為單相流動(dòng)。對(duì)于復(fù)雜流道，目前尚無公認(rèn)的預(yù)測(cè)模型，主要源于難以正確估計(jì)相間非平衡效應(yīng)及流道內(nèi)局部流動(dòng)損失和摩擦損失等不確定因素，但可通過對(duì)結(jié)構(gòu)和模型簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行計(jì)算和分析。針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的流體回路系統(tǒng)，開展模型簡(jiǎn)化后的工質(zhì)排放過程數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，分析全氟三乙胺(N(C2 F5)3 )工質(zhì)完全排放所需時(shí)間，以及排放過程中閃蒸波傳播等問題。

　　1、工質(zhì)排放分析模型

　　1. 1、幾何模型

　　對(duì)于在月球表面1/6 g 重力的流體回路系統(tǒng)，分析工質(zhì)排放時(shí)，流體回路結(jié)構(gòu)可以依據(jù)功能簡(jiǎn)化為圖1 所示，系統(tǒng)高2.7 m，頂部管長(zhǎng)12.5 m，底部管道布置一個(gè)補(bǔ)償器，工質(zhì)排放閥布置在距底部0.5 m高處。管路系統(tǒng)及補(bǔ)償器內(nèi)充滿液體，工質(zhì)最初將處于高過冷狀態(tài)。流體回路系統(tǒng)參數(shù)見表1所示。

表1　流體回路各參數(shù)

圖1　流體回路工質(zhì)排放分析模型簡(jiǎn)化示意圖

1. 頂部管路；2. 補(bǔ)償器；3. 排放閥

　　1. 2、數(shù)理模型分析

　　圖2 給出了流體回路排放過程中流量變化示意圖。階段I、II 對(duì)應(yīng)于補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)排放，階段I 為啟動(dòng)階段，即排放閥開啟后形成的管路系統(tǒng)內(nèi)部液體工質(zhì)的瞬態(tài)啟動(dòng)過程。排放閥開啟后，E 點(diǎn)將處于閃蒸狀態(tài)，也即E 點(diǎn)的壓力接近于工質(zhì)飽和蒸汽壓。階段III 為過渡階段，此時(shí)補(bǔ)償器內(nèi)部液體工質(zhì)幾乎完全排出，但管路系統(tǒng)內(nèi)壓力與點(diǎn)E 處壓力相比仍遠(yuǎn)大于系統(tǒng)重位壓降，使得排液速率急劇下降，直到頂部管路中的液體工質(zhì)壓力低于飽和值并發(fā)生閃蒸。

　　階段IV 為重位壓降驅(qū)動(dòng)的管路排放過程，此時(shí)，頂部管路中的液體工質(zhì)壓力因重力的影響最低，因此最先達(dá)到過熱并且在整個(gè)管路系統(tǒng)中過熱度最高而首先發(fā)生閃蒸。鑒于管路系統(tǒng)熱容很大，全氟三乙胺汽化潛熱僅為水汽化潛熱2257 kJ/ kg 的4% ，忽略蒸發(fā)過程中的潛熱影響，工質(zhì)溫度維持不變。階段IV，驅(qū)動(dòng)管路系統(tǒng)中的液體工質(zhì)向外排放的動(dòng)力只有頂部管路與排放口高度差引起的重位壓降，排放速度近似恒定。當(dāng)頂部管路中的液體排放完，液氣界面下移，重位壓降減小，液體工質(zhì)的排放速度將不斷降低，排放也將隨之進(jìn)入階段V。此時(shí)，重位壓降可能不足以驅(qū)動(dòng)液體工質(zhì)自流，工質(zhì)的排放依賴于從排放管口逆向上傳的閃蒸波的傳播。因此，以下將重點(diǎn)對(duì)階段II、IV 和V 進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2　流體回路排放過程示意圖

　　3、結(jié)論

　　通過對(duì)流體回路在真空1/6 g 重力環(huán)境中的液體工質(zhì)排放過程進(jìn)行初步分析，結(jié)合液體閃蒸及閃蒸波理論，分析液體排放過程特征，試驗(yàn)觀測(cè)并測(cè)量全氟三乙胺閃蒸特性，計(jì)算了排放過程各主要階段需要的時(shí)間，可以得到如下結(jié)果：

　　a)流體回路液體工質(zhì)排放時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于壓力排放段、重力輔助驅(qū)動(dòng)排放段及閃蒸波傳播段三個(gè)階段所需的排放時(shí)間；

　　b)復(fù)雜構(gòu)型的流體回路管路中，壓力排放段排放時(shí)間短且可忽略重力影響，重力輔助驅(qū)動(dòng)排放段依賴于重力加速度大小、構(gòu)型、姿態(tài)等，閃蒸波傳播段所需時(shí)間最長(zhǎng)，閃蒸波在回路系統(tǒng)中的傳播速度主要取決于工質(zhì)的當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎海?/p>

　　c)試驗(yàn)觀測(cè)了全氟三乙胺閃蒸波傳播速度約0.23 m/ s，比用簡(jiǎn)化模型計(jì)算值偏大。