寧繼榮，蘇志一，張 濤

(1. 西安航天動力研究所，陜西 西安710100；2. 蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

多孔板泡破點試驗研究

寧繼榮1，蘇志一1，張 濤2

(1. 西安航天動力研究所，陜西 西安710100；2. 蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

根據(jù)研制背景需求，開展了多孔板泡破點特性研究。對多孔板泡破點理論分析方法進行說明，并采取不同孔徑多孔板進行了不同介質(zhì)泡破點試驗。試驗結(jié)果表明，各相關(guān)因素對泡破點的影響與理論分析一致，實際測試值和理論計算值誤差在±15%以內(nèi)，可滿足工程應用需求。多孔板可作為毛細元件應用于表面張力貯箱設(shè)計。

多孔板；泡破點；試驗；理論分析

0 引言

表面張力推進劑管理裝置利用液體與毛細元件或板片相接觸的表面張力作用維持液、氣分離，具有無活動部件，可靠性高，相容性好，結(jié)構(gòu)重量輕，可重復使用等特點，因此廣泛應用于各種軌道飛行器的推進劑管理[1]。表面張力推進劑管理裝置形式多樣，包括通道、板片、槽、海綿、起動籃及其各種組合[2-5]，按照基本原理不同可分為一代篩網(wǎng)式表面張力貯箱和二代板式表面張力貯箱[6-7]。篩網(wǎng)式表面張力貯箱采用篩網(wǎng)作為毛細元件來實現(xiàn)氣液隔離。不銹鋼篩網(wǎng)由于拉絲及編制工藝性好，可實現(xiàn)精密篩網(wǎng)加工，一直以來廣泛應用于表面張力貯箱，但存在與鋁合金、鈦合金等貯箱殼體材料異種金屬焊接問題。隨著貯箱減重要求日益苛刻，需尋求鋁篩網(wǎng)、鈦篩網(wǎng)、多孔板等不銹鋼篩網(wǎng)的替代品。在金屬薄板上采用機加、激光打孔等方式形成多孔板，具有材料不受限制、泡破點及流阻參數(shù)一致性好等優(yōu)點。尤其隨著試驗及飛行數(shù)據(jù)的積累，以及CFD仿真技術(shù)的提高，產(chǎn)品精細化設(shè)計逐漸得到重視，采用多孔板代替不銹鋼篩網(wǎng)是未來表面張力貯箱毛細元件發(fā)展的一個重要方向。作為貯箱毛細元件使用，泡破點是多孔板的重要特性，本文對多孔板泡破點開展了試驗研究，為多孔板在表面張力貯箱上的應用奠定基礎(chǔ)。

1 毛細元件泡破點理論分析及試驗方法

由于分子間作用力，任何曲面形狀的氣液界面都存在著一定壓差。界面上任何一點的毛細壓差可以表示為如下形式[8]：

(1)

式中：σ為液體的表面張力；如圖1所示，R1和R2為界面上給定點A的曲率半徑，R1和R2位于兩個相互垂直的面。

(2)

表面張力貯箱依靠設(shè)置在其內(nèi)部的推進劑管理裝置實現(xiàn)推進劑蓄留及定向供應，篩網(wǎng)或多孔板等毛細元件是推進劑管理裝置發(fā)揮作用的核心單元，主要依靠表面張力作用下氣液界面可維持的壓差來進行工作。該壓差可以依據(jù)公式(2)進行理論計算，但通常由試驗來確定。

進行試驗測試時，毛細元件表面覆蓋少量液體，從另一面通氣，第一個氣泡逸出時氣液兩面壓差即為所求值，該壓差稱為泡破點。

2 多孔板泡破點試驗研究

2.1 試驗產(chǎn)品

依據(jù)表1尺寸生產(chǎn)5種多孔板，壁厚0.5 mm，孔為圓形，材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，每種規(guī)格多孔板生產(chǎn)3件，編號分別為1#、2#和3#。

表1 5種多孔板結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structure dimensions of five kinds of perforated plates

2.2 試驗介質(zhì)

分別進行無水乙醇、異丙醇及蒸餾水三種介質(zhì)多孔板泡破點試驗。試驗時對介質(zhì)溫度進行了測量，約為25℃。根據(jù)測量溫度對介質(zhì)泡破點的理論值進行了計算，取25 ℃下介質(zhì)的表面張力值，水表面張力約為72.2×10-3N/m[8]；無水乙醇表面張力約為22×10-3N/m[9]；異丙醇表面張力約為21×10-3N/m；三種介質(zhì)均為浸潤型液體，與不銹鋼接觸角取0°。

2.3 試驗系統(tǒng)及問題說明

泡破點試驗系統(tǒng)如圖3所示，其中壓力表對氣源壓力進行測量，智能壓力數(shù)顯表對泡破點值進行顯示。智能壓力數(shù)顯表量程為10 000 Pa，測量誤差為±20 Pa。

多孔板采用如圖4所示裝配密封結(jié)構(gòu)。上端覆蓋液體，下端通氣進行泡破點試驗。

3 試驗結(jié)果及其分析

3.1 試驗現(xiàn)象

1)進行泡破點試驗時，如果將多孔板全部沒入介質(zhì)中，由于多孔板孔徑較大，介質(zhì)會在重力作用下通過多孔板進入管路，介質(zhì)的波動很大程度影響測量的準確性。為了確保試驗的進行，采取以下方式：將少量介質(zhì)置入多孔板上部的小容腔內(nèi)，隨即開始通氣測試，避免過多液體穿過多孔板進入試驗管路。

2)蒸餾水表面張力較大，5種規(guī)格的多孔板泡破點試驗均可以依據(jù)第1)條方法正常進行。

無水乙醇和異丙醇表面張力較小，Ф0.4和Ф0.7兩種規(guī)格的多孔板試驗依據(jù)第1)條方法進行；對于Ф1多孔板，一旦通氣，多孔板就有氣體逸出，采取如下試驗方法：降低通氣壓力，到某一臨界點，氣體不再逸出，取該臨界點壓力值為泡破點。Ф1.3和Ф1.5多孔板一旦置于介質(zhì)中或者將介質(zhì)置于多孔板上部容腔，介質(zhì)均在重力作用下沉入多孔板，氣體逸出，不能測出泡破點。

3)對于多孔板泡破點試驗，所有孔孔徑大小一致，氣泡逸出時，從所有的孔同時有氣泡逸出。不同于篩網(wǎng)泡破時，氣泡從孔徑最大處以細絲狀逸出。

3.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

依據(jù)公式(2)，帶入相關(guān)值，計算得到不同多孔板不同介質(zhì)泡破點理論值,如表2所示。表3～表5列出了不同介質(zhì)試驗結(jié)果及其與理論值的偏差分析。同一件產(chǎn)品進行3次測量，取3次測量平均值為最終泡破點值。

表2 泡破點理論值Tab.2 Theoretical values of bubble point

分析表3～表5試驗數(shù)據(jù)：

1)對于蒸餾水介質(zhì)，泡破點試驗值與理論值的偏差在-12%～+11%以內(nèi)；從整體看，剔除個別偏差較大數(shù)據(jù)，試驗值與理論值偏差在-5%～+5.7%以內(nèi)。

2)對于無水乙醇和異丙醇介質(zhì)，剔除個別異常數(shù)據(jù)，Ф0.4和Ф0.7多孔板泡破點試驗值與理論值的偏差在0～+14.2%以內(nèi)；Ф1多孔板泡破點試驗值與理論值的偏差為-37%～-25%。

表3 蒸餾水泡破點試驗結(jié)果Tab.3 Test result of bubble point of distilled water

表4 無水乙醇泡破點試驗結(jié)果Tab.4 Test result of bubble point of absolute ethyl alcohol

表5 異丙醇泡破點試驗結(jié)果

對試驗數(shù)據(jù)進行分析，蒸餾水由于其表面張力較大，在現(xiàn)有試驗設(shè)備及重力場條件下，能夠確保5種不同規(guī)格多孔板試驗均正常進行。從試驗數(shù)據(jù)來看，實際試驗結(jié)果與理論計算值偏差在±12%以內(nèi)，二者一致性較好；異丙醇和無水乙醇表面張力較小，Ф0.4和Ф0.7多孔板泡破點試驗值與理論值的偏差在±15%以內(nèi)，一致性程度較好；試驗數(shù)據(jù)具有較高的可信度。異丙醇和無水乙醇Ф1多孔板泡破點試驗值與理論值的偏差為-37%～-25%，二者差異較大，分析認為，主要原因為質(zhì)量力與表面張力比值較大，以及在重力場中進行試驗固有的干擾因素，該試驗數(shù)據(jù)不可信，現(xiàn)有試驗方法不適用于低泡破點測量，一定程度上也意味著較大孔徑的多孔板作為毛細元件應用存在問題。

從工程應用的角度考慮，包容測量系統(tǒng)的偏差，可認為多孔板泡破點試驗值和理論值的偏差在±15%以內(nèi)。

4 結(jié)論

1)多孔板所有孔徑大小一致，泡破點試驗氣泡逸出時，氣泡同時從各個孔中同時逸出；

2)孔徑越小，表面張力越大，泡破點值越大，與理論公式分析相一致；

3)多孔板泡破點試驗值和理論值偏差在±15%以內(nèi)，可滿足工程應用需求。

在顯微鏡下對本文試驗研究采用的多孔板進行觀察，發(fā)現(xiàn)孔邊緣存在較多的毛刺，可能對試驗值和理論值的一致性存在影響。后續(xù)可采用精細加工方法開展多孔板加工，同時精確測量試驗介質(zhì)的物性參數(shù)，優(yōu)化試驗系統(tǒng)，進一步開展理論分析和試驗對比研究，以減小二者之間的偏差，實現(xiàn)工程應用精細化設(shè)計。

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Test research on bubble point of perforated plate

NING Jirong1， SU Zhiyi1， ZHANG Tao2

(1. Xi’an Aerospace Propulsion Institute， Xi’an 710100， China； 2. Lanzhou Institute of Space Technology and Physics， Lanzhou 730000， China)

The bubble point character of the perforated plate was explored according to the mission demand. The theoretical analysis method for the bubble point of the perforated plate was expounded. A bubble point test of three kinds of liquids was carried out with several perforated plates with different pore diameters. The test result shows that the influence of the concerned factors on the bubble point is in conformity with that of the theoretical analysis， and the error between the actual test value and the theoretically-calculated value is within ±15%， which can meet the requirement of engineering application. The perforated plate can be used for the surface tension tank as a kind of capillary element.

perforated plate；bubble point；test；theoretical analysis

2017-03-21；

2017-08-11

國家863項目(2015AA7060210)

寧繼榮(1980—)，男，高級工程師，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機推進劑管理系統(tǒng)設(shè)計

V431-34

A

1672-9374(2017)06-0048-06

(編輯：陳紅霞)