低温液氧晃动热力耦合特性研究/博士后文库

第1章绪论 近年来，在世界各国深空探测任务的驱动下，采用航天器开展空间探测等科学任务的需求在全球范围内激增。为满足从近地轨道到深空探测的任务需求，各国正在制造并发射不同功能及用途的航天器。发射到近地轨道的航天器主要充当空间站维护以及近地探测卫星的运输工具，还有部分发射任务是出于商业运营的需求。对于深空探测"，目前正初步探索在月球和火星上建立基地，并计划发射以探索太阳系内其他行星和外行星为目的的航天器。目前空间探测的一个共同点是：由于逃离地球大气层的成本仍十分昂贵，为降低发射成本，需要一次发射并完成多个空间任务，这就需要大型运载火箭、航天探测器和空间探测卫星。为完成不同空间任务，航天器需要装载不同的探测设备与装置，这就增加了航天器的尺寸与重量，因此每次发射任务所采用的空间运载火箭、探测器和探测卫星体型都非常大。另外，现今空间运行的航天器主要通过消耗自身携带与储存的燃料来获得动力，为完成远距离空间探测任务，在长时间内执行更多空间科学任务，航天器需要的动。 低温液体燃料，如液氢、液氧以及液态甲烷，具有高比冲、环境友好、容易获得等优异特性，在美国、俄罗斯、中国以及欧盟等国家和地区的空间探测任务中得到了广泛应用。液氢+液氧的组合已被美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）当作未来深空探测的首选推进剂。然而，低温推进燃料储存温度低，受热易蒸发。例如，在一个大气压下，液氢储存温度为20.4K，液氧储存温度为91.5K，外部环境漏热很容易引起燃料贮箱内部低温流体的温度升高，造成严重的流体热分层现象。热分层的产生将进一步促进箱内流体相变蒸发，进而造成箱体压力的迅速升高，给低温推进剂贮箱的空间在轨运行带来严重安全隐患。另外，低温流体黏度低、流动性强，外部微小的干扰即可引起箱内流体大幅波动晃动。与固体燃料不同，低温燃料在航天推进贮箱中极易出现明显的热分层以及严重的流体晃动等现象。 对于发射升空过程中的运载火箭，箭体将受到剧烈的气动冲刷。由于火箭飞行与来流气体呈一定攻角，来流气体作用在箭体上的力与箭体中心线呈一定的角度於具体如图1-1所示。该气动冲刷力F可以分解为沿箭体中心线的轴向力Fy以及垂直于箭体方向的水平力F轴向力F往往只用于增加箭体的飞行荷载，使箭体在飞行过程中处于超重状态；水平力F#则会对箭体产生严重的水平剪切效应低温液氧晃动热力耦合特性研究以及挠力，并促使箭体内部流体摇摆晃动。当对箭体受力进行三维分解时，还有一沿箭体表面法线方向的分力Fz，其主要使箭体产生一定的旋转扭矩，详细内容可参考相关文献。当把低温贮箱等价为一具有质量的钟摆时，该晃动过程类似于钟摆在范围内做摆动运动（图1-1）。当该作用力较大时，由流体摆动形成的波还会沿箭体轴向传递，形成严重的压力波动，即压力波，造成箭体飞行的不稳定性。另外，晃动的液体来回撞击箱体壁面（图1-2），对贮箱产生明显的附加力与附加力矩，给航空航天用燃料贮箱稳定运行带来严重的安全隐患。 图1-1升空过程箭体所受气动冲刷力 图1-2低温燃料贮箱内部流体晃动现象 凭借优异的特性，低温推进燃料在航空航天领域得到了大规模应用。然而，低储存温度以及易流动性对低温燃料的长期安全储存带来了严峻挑战。由于低温燃料占火箭或航天器总发射质量的比重较大（以我国长征5号运载火箭为例，其总发射质量达800多吨，而低温液氢、液氧的总质量就有730多吨，占总发射质量的90%以上（有必要对低温推进剂贮箱内部流体晃动运动与精确控制开展深入研究。低温推进剂的有效储存、安全管理与高效传输对增加低温燃料贮箱的安全性、降低发射成本、增加发射有效载荷具有重要意义。 1.1研究背景 当外部瞬态或稳态力作用于部分装有液体的容器或储罐时，容器内部液体所处的平衡状态被打破。在该情况下，容器内部自由界面开始波动变化，液体撞击罐体壁面并造成飞溅，这种现象称为流体晃动。流体晃动通常由运动罐体激发产生，它是罐体内部液体受外部振荡作用引起的受迫振动，其主频率接近罐体内部液体的固有频率。晃动过程中液体自由表面的运动可以是平面的、非平面的、旋转的、非旋转的、对称的、非对称的、准周期的，甚至是混沌的。事实上，在许多工业、能源、机械、车辆运输、海洋工程、航空航天和结构工程应用等领域都存在流体晃动现象。除空间探测用航天器外，液化天然气（liquefied nature gas，LNG）储罐船舶运输舱、工业油罐、核电站核反应堆、运载各种液体的储罐车以及装载大量液体的运输车辆（包括汽车油箱、洒水车等）均涉及流体晃动过程。因此，流体晃动现象不仅存在于航空航天工程，也出现在市政绿化、建筑工程、能源工程以及化学工程（如化工液体汽车运输、铁路槽车运输以及LNG槽船海洋运输过程等），涉及流体晃动的运输工具如图1-3所示。无论哪种情况，运输过程中的流体晃动现象均需给予足够的重视，否则都将酿成严重的安全事故与灾难。 当储罐内液体充灌量低于其*大容量时，液体在储罐内出现相对运动，并产生流体晃动现象。流体晃动可分为三类，即横向晃动、纵向晃动与竖向晃动，而每个方向上的晃动又可分为沿该方向上的平移晃动与旋转晃动，也就是说，流体晃动具有六个基本的单自由度晃动运动。*常见的流体晃动是海上平台和浮式生产储油船的运动，其受风力、波浪和洋流的影响较大，相应的流体晃动现象也十分复杂。这里以LNG储运船舶为例来说明不同的晃动形式，具体如图1-4所示。通常将LNG船舱晃动简化为六个稳定的周期运动，即三个方向的平移运动，包括纵荡（surge）、横摇（sway）和垂荡（heave），以及三个方向的旋转运动，包括纵向滚动（roll）、横向俯仰（pitch）和竖向垂摇（yaw）。ENG船舶在运输过程中常见的三种晃动形式为纵向滚动、横向俯仰和垂荡。 除LNG运输船外，对于运载液体燃料储罐的车辆，在使用制动器的过程中，储罐内部流体也会出现纵向晃动，该晃动可能导致制动器失效。另外，车道改变、方向改变以及罐体内部液体通过侧向位移产生的响应者卩会引起罐体横向加速度，并迫使罐体内部流体发生横向晃动。对于完全装满的油轮、货车储罐等，发生翻车的概率较小，但在装有部分液体的储罐中，由于流体重心（center of gravity，CG）的动态移动以及制动操作引起的附加力和力矩，运载车辆翻车的概率大大增加。尽管由于卡车的长度大于其宽度，纵向晃动比横向晃动更严重，但是流体横向晃动却是引起车体侧翻的主要原因。 对于许多液体散装运输工具（如公路罐车、铁路罐车等）、远洋运输船舶和航天运输工具的运行性能、方向稳定性、安全性和结构可靠性，部分填充的容器内，流体晃动是影响其安全性能的*重要因素。在接近共振的情况下，流体晃动将产生高度集中的附加力与力矩，并导致运载系统结构的不稳定性，严重情况可产生灾难性事故。对于部分填充的车辆油箱!某些机动过程中，结构/流体相互作用被认为是道路灾难发生的重要原因。此外，在地震激励下，部分填充水平放置的圆柱形储罐和工业容器中的流体晃动产生的晃动力和力矩对箱体结构的完整性具有巨大的破坏性。在地震这一垂直波的影响下，部分填充的油罐以及工业罐体中自由界面将出现显著的晃动振荡。当表面波围绕罐体中心轴旋转时，在罐体内部会发生轴对称的流体晃动。类似地，低温运载火箭和部分航天器燃料贮箱往往装有大量的液体推进剂，在进行轨道变换或慢旋自转时，这些大型燃料贮箱中也常常出现旋转晃动现象。在载人航天以及空间探测任务中，流体的剧烈晃动会严重干扰航天器控制系统的性能和精度，给相关科学任务带来极大威胁与挑战。 据调查显示，采用重型卡车运输的化学危险品运输量约占公路运输总量的10%。此类货物在运输过程中发生的任何事故都可能造成巨大的经济损失，严重时将危及人员生命健康和环境安全。当运输的化学液体具有易燃特性时，流体晃动带来的安全隐患将更大。例如，在西班牙圣卡洛斯-德拉拉皮塔和德国赫尔伯恩等地均出现类似的灾难性事件，对事故进行统计分析的结果表明，由流体晃动造成的车辆侧翻是这类事故的主要原因。 在铁路运输方面，对于部分填充的油罐车，当车辆启停与转弯时，流体晃动会导致罐体形状和重心位置发生变化，并产生随时间变化的惯性力，这些瞬态惯性力将会对轮轨接触产生重大影响。对于运输危险液体的车辆，外部干扰引起的附加矩可能导致严的。部分火轨流晃动有关。在拿大魁北克省的Lac-M6gantic地区，一列由72节油箱组成的火车脱离了轨道，*终造成15人死亡，60人失踪，30座建筑物被毁，影响十分恶劣。美国国家公路交通安全管理局记录了每年超过16000起涉及重型商用车的翻车事故，其中大部分事故与流体晃动有关。同时，美国交通运输部公布的统计数据显示，2007年危险品事故造成的总财产损失高达2520万美元，在2000～2010年期间，每年平均损失1260万美元。因此，对车辆运输中可能出现的流体晃动现象需给予足够重视。一方面需采取较好的流体晃动抑制措施；另一方面需要提高货车的稳定性、安全裕度和液体承载能力，实现车辆的安全行驶与液体燃料的高效运输。 随着海洋工程的发展、海洋资源的开发和对清洁能源的需求，LNG的运输和储存变得越来越重要。受工业快速发展和能源结构调整的影响，全球范围内天然气消耗量急剧增加。众所周知，天然气通常分布在非工业区或人口稀少的海湾和浅海地区。因此，天然气储运是近海天然气开发中通待解决的重要问题。人们对天然气需求的日益增长，导致许多国家将天然气的开采从陆地转移到海洋。浮式液化天然气（floating liquefied naturegas，FLNG）已逐渐成为海上天然气收集、储存和运输的重要方式。另外，LNG运输船运载力的增加及其运营模式的改变，使得海上LNG运输的比重越来越大，这也重新激起了人们对LNG运输的研究热情与兴致。部分充液与不充液的船舶运动特性不同，带舱船舶的运动受外部激励和内流的共同影响。也就是说，船舶运动会产生流体晃动，而流体晃动产生的力和力矩反过来又会影响到船舶的运动。这种耦合效应对LNG储罐结构设计至关重要。对于部分未完全装满的LNG储罐以及FLNG储罐，在船舶运动过程中，往往会造成罐体内部流体运动以及自由表面的波动变化。晃动的流体撞击罐体壁面会产生晃动力，并引起额外的液舱加速度，进而导致液舱货船的不稳定和液舱结构的失效。当外部晃动频率接近船舶运动频率时，尤其是当外部频率与部分装满的液舱耦合时，会对舱体内部结构造成较大的变形和冲击。储罐壁面上的动态冲击压力，特别是其局部时间峰值，可能比相应的静压力高出一个数量级，在储罐结构的安全评估中起着重要作用。由于冲击载荷对船舶运动中的晃动激励非常敏感，需对储罐的冲击载荷进行综合评价与分析。对于船舶运动，由于流固耦合效应的影响，对其动态特性的预测和描述变得十分复杂。为降低流体晃动带来的一系列副作用，常采用防晃挡板来减小晃动运动强度、降低巨大的压力峰值，并通过增加阻尼来降低这种不稳定性的强度（如采用减摇水舱来减弱船舶的横摇运动）。因此，在LNG储罐设计过程中，需对晃动载荷进行精确计算，对储罐晃动进行合理评估，将流体晃动引起的安全隐患降到*低。 随着低温动力燃料在航空航天与空间探测工程方面的大规模应用，航天用低温燃料贮箱内部流体晃动现象变得更加显著与严峻，这给航天器稳定运行与航天科学任务顺利开展带来了严重的安全隐患。例如，在1969年美国阿波罗11号**次登月的*后几秒钟，通过视频画面清楚观察到，登月舱内部剩余的推进剂突然发生剧烈的振荡运动，流体振荡产生的附加力与力矩使得登月航天器着陆点偏离原计划设定位置，*终不得不通过重启助推器使着陆器移动到指定位置，给登月任务带来了一定影响。1998年，近地小行星交会（near-earth asteroid rendezvous，NEAR）探测器在进行轨道修正过程中，航天器内推进燃料突然发生了意外晃动，造成卫星控制系统进人安全保护模式，导致厄