Page 88 - 《真空与低温》2026年第1期

毛若曈等：变重力条件下低温推进剂贮箱自增压与热分层建模及其特性研究 85

−1
−6
如图 10 所示，对于微重力阶段 10 ～10 m/s 2 常重力-超重力-微重力（阶段 1、2）变化过程造
2
的加速度值恢复为 9.81 m/s 的过程（阶段 4），液相 成的换热功率相比于微重力-常重力过渡段（阶段 4）
与壁面的换热功率会瞬间增长至 20～2 500 W，气 并不显著。在超重力阶段（阶段 1），气液相与壁面
相区 4～77 W，但一段时间过后换热功率均回落至 的换热功率波动并不明显。而超重力过渡至微重
与常重力条件接近的水平，且液相区的响应比气相 力过程（阶段 2），随着重力加速度值下降，换热功
区更迅速，时间跨度更短。这说明液相区域与壁面 率也随之递减，且微重力值越接近 0，换热功率下
的换热能力远强于气相区，一方面导致贮箱整体漏 降后的最小值越趋近于 0。在加速度达到微重力
热主要由液体区进入，另一方面也使得与液相区接 水平并保持平稳不变时，气液相的换热功率开始平
触的壁面温度显著低于气相区壁面。 滑回升。

50 阶段2 40 40
40
g/ （m·s −2 ） 30 阶段1 g/ （m·s −2 ） 20 g/ （m·s −2 ） 20
20
10 阶段3 阶段4
0 0 0
0 5 000 10 000 15 000 20 000 2 000 4 000 6 000 8 000 10 00012 000 12 000 12 500 13 000 13 500 14 000
时间/s 时间/s 时间/s
（a）重力曲线 （d）（a）图2 000～12 000 s局部放大 （g）（a）图 12 000～14 000 s局部放大
10
60 8 60
Q conv,gas /W 40 Q conv,gas /W 6 4 Q conv,gas /W 40

20
2 20
0 0 0
0 5 000 10 000 15 000 20 000 2 000 4 000 6 000 8 000 10 00012 000 12 000 12 500 13 000 13 500 14 000
时间/s 时间/s 时间/s
（b）气相-壁面对流换热量 （e）（b）图2 000～12 000 s局部放大 （h）（b）图 12 000～14 000 s局部放大
100
80 2 000
2 000
Q conv,liquid /W 1 000 Q conv,liquid /W 60 Q conv,liquid /W 1 000
40
20
0 0 0
0 5 000 10 000 15 000 20 000 2 000 4 000 6 000 8 000 10 00012 000 12 000 12 500 13 000 13 500 14 000
时间/s 时间/s 时间/s
（c）液相-壁面对流换热量 （f）（c）图2 000～12 000 s局部放大 （i）（c）图 12 000～14 000 s局部放大
−4
−1
−5
−6
−3
g=9.81 m/s 2 g=10 m/s 2 g=10 m/s 2 g=10 m/s 2 g=10 m/s 2 g=10 m/s 2
图 10 变重力条件下气液相与壁面对流换热功率变化过程
Fig. 10 Convective heat transfer rate between the gas–liquid phases and the tank wall under variable gravity

5 结论 现重力加速度动态变化对贮箱热工特性影响显著，
具体表现为：
本文建立了一种适用于变重力条件下低温推
进剂贮箱多节点全耦合模型，通过 Python 语言编 （1）微重力环境下贮箱压力增长速率显著降低，
程实现瞬态过程计算。对比结果表明，该模型在常 且重力加速度越接近零，压力增长速率越小；当微
重力下可以较准确预测不同推进剂工质、不同贮 重力恢复至常重力时，压力出现显著剧烈的增长，
箱几何形状的自增压和热分层过程，自增压计算准 且重力加速度越接近零，增长越剧烈，恢复常重力
确度在 2% 以下，流体热分层计算准确度在 1% 以 后增长趋于平缓。
内；在微重力条件下，自增压计算偏差值为 2.77%， （2）气液相温度在超重力和重力恢复段出现小
验证了模型在微重力条件下的适用性。利用该模 幅降低和升高，其中气相区靠近气枕区上方温度变
型模拟了贮箱在变重力过程中流体热力学行为，发 化更明显，最上方节点甚至出现快速上升又回落