網(wǎng)幕通道式液體獲取裝置水平出流性能研究
2024-11-13 00:00:00張悅馬原王云龍厲彥忠王磊謝福壽
西安交通大學(xué)學(xué)報 2024年11期
摘要：為研究網(wǎng)幕通道式液體獲取裝置水平出流性能，以矩形多孔網(wǎng)幕通道為對象，構(gòu)建基于體積流量邊界的水平出流模型，并搭建實驗平臺，對網(wǎng)幕阻力系數(shù)與出流過程網(wǎng)幕兩側(cè)壓差分布進行測試。研究了水平出流過程網(wǎng)幕穿透壓損與局部流量等參數(shù)的沿程變化規(guī)律，對比分析了網(wǎng)幕選型與通道尺寸對裝置出流性能的影響。結(jié)果表明：模型預(yù)測結(jié)果與文中實驗數(shù)據(jù)吻合良好，平均相對誤差為3.5%；網(wǎng)幕穿透壓損與局部取液量均沿流動方向逐漸增大，且不均勻性隨流量增大而加劇，通道出口處網(wǎng)幕穿透壓損取得最大值，具有最大的泡破風(fēng)險；相同流量下，細孔網(wǎng)幕通道出流均勻性更高，針對低流量與高流量工況，分別采用粗孔和細孔網(wǎng)幕時泡破風(fēng)險更低；通道質(zhì)量一定時，減小長寬比，有利于穿透壓損和流量均勻分布，同等質(zhì)量增量下增加通道寬度更有利于降低穿透壓損。
關(guān)鍵詞：阻力系數(shù)；液體獲取裝置；多孔網(wǎng)幕；出流性能
中圖分類號：V19 文獻標志碼：A
DOI：10.7652/xjtuxb202411019 文章編號：0253-987X（2024）11-0196-10
Research on Horizontal Outflow Performance of Screen Channel Liquid Acquisition Devices
ZHANG Yue，MA Yuan，WANG Yunlong，LI Yanzhong，WANG Lei，XIE Fushou
（Department of Refrigeration and Cryogenics，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）
Abstract：To investigate the horizontal outflow performance of the screen channel liquid acquisition device （LAD），a horizontal outflow model based on volumetric flow rate boundary conditions is developed using a rectangular LAD. An experimental platform is set up to measure the screen resistance coefficient and the pressure difference distribution on both sides of the screen during the outflow process. The variation patterns along the flow path of parameters such as the flow-through-screen （FTS） pressure drop and local flow rate during the horizontal outflow process of the screen are explored. Furthermore，the influence of screen selection and channel dimensions on the outflow performance of the device is compared and analyzed. The findings indicate that the model’s predictions align well with the experimental data presented in this paper，with an average relative error of 3.5%. The FTS pressure drop and local flow rate increase gradually along the flow direction，with the non-uniformity intensifying with increasing flow rate. The FTS pressure drop peaks at the outlet of the channel，posing the highest risk of bubble rupture. When the flow rates are the same，the fine screen channel demonstrates higher flow uniformity. Under low and high flow rate conditions，using coarse and fine screen respectively can mitigate the risk of bubble rupture. When the channel mass is constant，reducing the aspect ratio is conducive to reducing FTS pressure drop and achieving a more uniform flow distribution. Increasing the channel width under the same mass increment proves more effective in reducing the FTS pressure drop.
Keywords：risistance coefficient；liquid acquisition devices；porous screen；outflow performance
液氫、液氧等低溫推進劑具有比沖高、推力大、無毒性等優(yōu)勢，在載人航天、深空探測等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊［1］。但是，低溫推進劑低沸點、低表面張力系數(shù)的特性為其在軌管理帶來巨大挑戰(zhàn)［2］。推進劑在軌傳輸加注和發(fā)動機二次點火等過程均需要穩(wěn)定獲取單相液體推進劑，亟需解決微重力下氣液分離的難題［3］。網(wǎng)幕通道式液體獲取裝置（LAD）能夠充分利用表面張力與毛細作用，成為最有望大規(guī)模應(yīng)用于低溫推進劑的在軌取液［4］。
圖1是一種典型的網(wǎng)幕通道式LAD結(jié)構(gòu)，核心部件是通道一面覆蓋的多孔金屬編織網(wǎng)幕，能夠依靠毛細作用引流液體、阻隔氣體。當在軌任務(wù)需要獲取單相推進劑時，通過貯箱增壓或使用液體泵在貯箱與通道間建立壓差，驅(qū)使液體沿網(wǎng)幕內(nèi)毛細孔隙進入通道流向出口，而氣體則在網(wǎng)幕內(nèi)液膜表面張力的作用下被隔絕在外，實現(xiàn)純液相的獲取。
國內(nèi)外研究學(xué)者針對LAD的關(guān)鍵部件——多孔金屬網(wǎng)幕已經(jīng)開展了較為充分的研究，基本掌握了網(wǎng)幕內(nèi)液體芯吸［5-6］、泡破壓差［7-9］、網(wǎng)幕穿透壓損（ΔPFTS）［10-13］等方面的參數(shù)特性及影響因素。近年來，研究者們開始聚焦于網(wǎng)幕通道整體工作性能的系統(tǒng)級研究。文獻［14-15］采用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)，對單通道取液過程進行了仿真計算，得到了特定工況下網(wǎng)幕通道出流速度、壓力分布模式等數(shù)據(jù)，但由于工況參數(shù)范圍有限，并未作普適性的理論分析與解釋。文獻［16-17］先后建立了單通道出流過程的一維與二維數(shù)學(xué)模型，對比分析了液體穿透網(wǎng)幕的速度分布均勻性假設(shè)對通道出流性能的影響，并進行了以蒸餾水為工質(zhì)的驗證實驗。NASA格林研究中心開展了LAD單通道液氫出流可視化測試，實現(xiàn)了液氫的單相傳輸，但并未獲得出流過程壓力分布等細節(jié)數(shù)據(jù)［18］。
國內(nèi)方面，上海交通大學(xué)通過粒子圖像測速技術(shù)，獲得了網(wǎng)幕通道垂直取液過程的流體速度分布特性，并開展了液氮溫區(qū)垂直取液過程的有效性驗證實驗，但并未關(guān)注出流過程取液通道內(nèi)外的壓力分布規(guī)律［19-20］。文獻［21-23］在網(wǎng)幕芯吸和泡破性能的理論與實驗研究基礎(chǔ)上，建立了壓差驅(qū)動邊界的網(wǎng)幕通道出流模型，重點研究了網(wǎng)幕浸液工況對LAD出流性能的影響，并提出了網(wǎng)幕通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案［24-25］，但相關(guān)結(jié)論尚缺乏實驗數(shù)據(jù)的驗證支持。
綜上，鑒于現(xiàn)有研究并未充分掌握網(wǎng)幕通道出流過程的特性規(guī)律，本文針對LAD單通道結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于體積流量邊界的網(wǎng)幕通道水平出流模型，計算預(yù)測液體出流過程通道內(nèi)速度與壓力沿程分布規(guī)律，并對網(wǎng)幕穿透壓損的沿程分布開展實驗測試驗證。在此基礎(chǔ)上，進一步對比分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對取液性能的影響，為網(wǎng)幕通道式LAD的設(shè)計和優(yōu)化提供理論支持。
1 網(wǎng)幕通道水平出流模型
1.1 物理模型
圖2（a）展示了網(wǎng)幕通道式LAD單通道結(jié)構(gòu)及其水平出流過程的示意。通道主體由通道出口、盲端、金屬壁面和多孔網(wǎng)幕組成。以泵驅(qū)取液過程為例，貯箱內(nèi)液體在泵的驅(qū)動下穿透網(wǎng)幕進入取液通道，在通道內(nèi)壓力梯度的作用下流向出口，實現(xiàn)取液出流。
以圖2（a）所示的矩形截面直通道為對象建立直角坐標系，坐標原點位于通道盲端，x、y、z軸分別沿通道長度L、高度H和寬度W方向，網(wǎng)幕布置于y=H處。對集液通道出流過程的數(shù)學(xué)描述做以下簡化假設(shè)：
（1）流動是穩(wěn)態(tài)的，流體的物性參數(shù)不變；
（2）寬度（即z軸）方向的流動可忽略不計，橫向速度、壓力等數(shù)據(jù)在每一個橫截面均勻分布；
（3）忽略重力作用；
（4）忽略通道壁面的摩擦阻力影響；
（5）網(wǎng)幕完全浸泡在液體中，與氣體無接觸。
1.2 控制方程
根據(jù)假設(shè)（2），將出流過程簡化，如圖2（b）所示。取長度為Δx、高度為H的微元體，根據(jù)質(zhì)量守恒定理，流出液體量等于穿透網(wǎng)幕由通道外部進入的液體量和上游匯入液體量之和
ρuxH=ρvxΔx=ρux+ΔxH（1）
式中：ρ為流體密度；ux、vx分別代表x位置處沿x軸和-y軸方向速度。Δt時間內(nèi)進入微元的液體，其x方向的動量增量應(yīng)等于微元左右兩側(cè)壓力的沖量之和，滿足動量守恒
ρvxΔxux+ΔxΔt+ρuxH（ux+Δx-ux）Δt=（Px-Px+Δx）HΔt（2）
式中：Px、Px+Δx分別為微元體左右側(cè)的壓力，x處壓力Px主要取決于貯箱壓力Pu和網(wǎng)幕當?shù)卮┩笁簱pΔPFTS，x
Px=Pu-ΔPFTS，x（3）
根據(jù)Armour和Cannon模型［10］，穿透壓損可表示為
ΔPFTS，x=Clμvx+Ctρv2x（4）
式中：Cl和Ct分別為黏性、慣性阻力系數(shù)，由網(wǎng)幕結(jié)構(gòu)決定；μ為流體黏度。
聯(lián)立式（1）～式（4），對ux、vx做泰勒展開并略去高階項，可得二階非線性常微分方程
在通道的盲端（即x=0處），由于液體無法橫向穿透金屬壁面，故在該處的橫向速度為0，即
u0=0（6）
在給定取液率Q時，通道盲端與出口側(cè)分別滿足取液率邊界條件如下
將式（7）代入式（5），采用打靶法、四階-五階變步長龍格庫塔法和弦截法，可求解得到穿透壓損沿網(wǎng)幕平面的分布規(guī)律以及壓力、流量沿通道出流方向的分布規(guī)律。
2 實驗測試系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)組成
為得到網(wǎng)幕通道出流過程中網(wǎng)幕穿透壓損的沿程分布，驗證本文建立模型的準確性，搭建了如圖3所示的實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由水箱、進出液管段、循環(huán)泵、待測樣件、壓差傳感器、流量計和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。水箱尺寸為900 mm×600 mm×600 mm，頂部開口便于實驗樣件的放置及管路元件的安裝。
實驗分為網(wǎng)幕阻力系數(shù)測定與集液通道水平出流兩部分。網(wǎng)幕阻力系數(shù)測定實驗通過測量網(wǎng)幕流速與ΔPFTS的關(guān)系，擬合得到網(wǎng)幕阻力系數(shù)，為式（5）提供輸入?yún)?shù)；網(wǎng)幕通道水平出流實驗則用于獲取出流過程網(wǎng)幕兩側(cè)壓差的沿程分布。
阻力系數(shù)實驗裝置如圖3樣件1所示，實驗管路上共設(shè)置有兩個法蘭，用于夾持網(wǎng)幕，法蘭內(nèi)徑為50 mm。在被測網(wǎng)幕上游安裝孔隙更細的濾網(wǎng)，以防實驗過程中雜質(zhì)堵塞被測網(wǎng)幕，在兩側(cè)設(shè)置引壓管，測量網(wǎng)幕兩側(cè)壓差。采用的壓差傳感器（美國HOFFER）量程為8 000 Pa，精度為0.1%。
圖3樣件2展示了網(wǎng)幕通道水平出流裝置的組成，樣件主體是由3面不銹鋼金屬壁面與一層金屬網(wǎng)幕構(gòu)成的矩形通道，通道內(nèi)尺寸為465 mm×30 mm×15 mm。網(wǎng)幕通道正面（裝配網(wǎng)幕的一側(cè)）朝下水平放置在箱體內(nèi)，由支撐結(jié)構(gòu)固定，網(wǎng)幕通道與箱體底面間距約35 mm。網(wǎng)幕朝下安裝一方面可以避免實驗箱體中的固體雜質(zhì)集聚到網(wǎng)幕上方造成堵塞，另一方面可以避免取液裝置內(nèi)部的氣體附著于網(wǎng)幕下方，影響出流過程網(wǎng)幕穿透壓損的測量精度。沿網(wǎng)幕通道背面長度方向等距開設(shè)了8個壓力測點，測點間距為60 mm。8臺壓差傳感器的負極通過測壓管分別連接到取液裝置的8個測壓孔，正極則通過匯流排連接至通道外的公共壓力參考點。將壓差傳感器沿出口方向分別編號為1～8，其中1號壓差計量程為1 000 Pa，2、3號量程為1 500 Pa，4、5號量程為2 000 Pa，6、7號量程為2 500 Pa，8號量程為3 000 Pa，8臺壓差計精度均為0.25%。
流量測量采用液體渦輪流量計（安徽聚杰公司生產(chǎn)），量程為0.1～0.6 m3/h，精度為1%。數(shù)據(jù)采集儀的型號為Keithley DAQ6510，采集頻率為3 Hz。
2.2 樣件參數(shù)及實驗工質(zhì)
實驗使用的網(wǎng)幕為荷蘭斜紋（DTW）編織網(wǎng)幕，選取了DTW200×1 400和DTW325×2 300兩種編織密度的網(wǎng)幕樣本，其中325×2 300表示經(jīng)線數(shù)密度為每英寸（2.54 cm）325根，緯線數(shù)密度為每英寸（2.54 cm）2 300根。兩種規(guī)格的網(wǎng)幕參數(shù)與掃描電鏡圖像列于表1。待測網(wǎng)幕先經(jīng)無水乙醇和去離子水在超聲波清洗儀中清洗并干燥后再進行裝配，對網(wǎng)幕的清洗有助于去除網(wǎng)幕表面和孔隙中的雜質(zhì)，防止雜質(zhì)堵塞網(wǎng)幕從而對測量產(chǎn)生影響。
水平出流實驗中所用的網(wǎng)幕樣本總長為600 mm、寬度為30 mm。為避免出口效應(yīng)影響，通道出口附近135 mm焊接有不銹鋼片，使得網(wǎng)幕實際有效長度L為465 mm。網(wǎng)幕經(jīng)清洗并干燥后由密封膠與通道間形成密封。由于密封膠具有流動性，對網(wǎng)幕有效流通面積有一定影響，實際有效尺寸如表1所示，其中dw為徑絲直徑，ds為緯絲直徑。
實驗采用的液體工質(zhì)為蒸餾水。由于實驗過程中涉及網(wǎng)幕及樣件的更換，多次實驗的環(huán)境溫度存在變化，表2列出了各組實驗溫度對應(yīng)的蒸餾水物性參數(shù)，實驗壓力始終為常壓0.1 MPa。需要說明的是，由于低溫下網(wǎng)幕結(jié)構(gòu)的變化可忽略不計［11］，針對同一網(wǎng)幕通道結(jié)構(gòu)，不同流體的絕熱出流特性都應(yīng)滿足2.1小節(jié)中出流模型的數(shù)學(xué)描述。也就是說，常溫與低溫流體雖然存在密度和黏性等物性差異，但這些差異主要體現(xiàn)在具體特性參數(shù)的數(shù)值差異，并不會引起出流性能規(guī)律的改變。因此，得到的水實驗驗證計算模型，理論上可以進一步應(yīng)用于低溫推進劑等其他流體的出流性能預(yù)測。
3 結(jié)果分析與討論
3.1 阻力系數(shù)測定與擬合
采用圖3中樣件1所示的實驗裝置對DTW200×1 400與DTW325×2 300兩種網(wǎng)幕分別進行了阻力系數(shù)測定實驗，以獲得式（5）的輸入?yún)?shù)。實驗測試溫度為290.0 K。圖4展示了兩種網(wǎng)幕在不同工況下穿透速度與穿透壓損的對應(yīng)關(guān)系，圖中的穿透壓損ΔPFTS由壓差傳感器直接測得，穿透速度v根據(jù)流量計所測得的出流流量Q與實驗管道的內(nèi)徑d由下式換算得到
對照式（4）與實驗數(shù)據(jù)擬合得到的曲線方程，即可獲得阻力系數(shù)Cl與Ct。
針對DTW200×1 400型網(wǎng)幕，根據(jù)圖4（a）中實驗數(shù)據(jù)擬合得到的曲線方程為
ΔPFTS=29 655v+70 271v2（9）
擬合優(yōu)度R2為0.999 5，根據(jù)式（4），代入表2所列蒸餾水物性參數(shù)，可計算得出所采用的DTW200×1 400網(wǎng)幕樣本黏性阻力系數(shù)Cl為2.95×107 m－1，慣性阻力系數(shù)Ct為70.4。
對于DTW325×2 300型網(wǎng)幕，根據(jù)圖4（b）中實驗數(shù)據(jù)擬合得到的曲線方程為
ΔPFTS=77 107v+226 512v2（10）
擬合優(yōu)度R2為0.998 5，同理可計算得到采用的DTW325×2 300型網(wǎng)幕樣本的黏性阻力系數(shù)Cl為7.67×107 m－1，慣性阻力系數(shù)Ct為226.9。
3.2 穿透壓損計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比
為測量網(wǎng)幕通道出流過程沿程的穿透壓損分布，采用圖3中樣件2所示的實驗裝置，在0.22、0.35和0.5 m3/h出流量下，分別對DTW200×1 400與DTW325×2 300兩種網(wǎng)幕進行了水平出流實驗。實驗測試溫度分別為284.0 K與287.3 K，每種工況進行3次重復(fù)性測量。根據(jù)實驗所對應(yīng)的工況參數(shù)，將穿透壓損的實驗數(shù)據(jù)與本文所建立數(shù)學(xué)模型的預(yù)測值進行了對比，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，在3種不同的流量下，實驗數(shù)據(jù)的變化趨勢與理論預(yù)測值基本吻合，平均相對誤差為3.5%，最大相對誤差不超過13.4%，驗證了模型的準確性。
由圖5可知，兩種網(wǎng)幕對應(yīng)的穿透壓損基本遵循沿出流方向遞增的趨勢，裝置穿透壓損的最大值在通道出口（x/L=1）附近。考慮到網(wǎng)幕的阻力損失不能超過泡破壓差，因此通道出口處泡破失效風(fēng)險最高。流量越大，穿透壓損沿程遞增的趨勢越顯著，網(wǎng)幕的阻力損失也越大。這表明，在大流量下更需要注意網(wǎng)幕通道出口附近的壓損變化。因此，在進行網(wǎng)幕通道LAD設(shè)計時，需要著重考慮通道出口處的壓力損失，結(jié)合最大壓降與泡破壓差對裝置可以正常運行的流量工況范圍進行約束。
3.3 網(wǎng)幕平面液體獲取流量沿程分布
由于實驗測試僅能獲取網(wǎng)幕兩側(cè)壓差的沿程分布情況，為進一步探究網(wǎng)幕平面液體獲取流量的分布規(guī)律，采用前文所提出的、已經(jīng)獲得實驗驗證的出流模型對取液率Q分別為0.22、0.35、0.5 m3/h工況下的局部流量分布進行計算，通道尺寸參數(shù)與實驗保持一致。
圖6給出了網(wǎng)幕平面局部取液流量q的分布情況。從中可以看出，網(wǎng)幕通道取液過程中流體并非均勻地進入網(wǎng)幕，而是沿著通道出口方向遞增，與網(wǎng)幕穿透壓損的沿程分布規(guī)律相一致。對比圖中3種工況結(jié)果可知，當總?cè)∫郝蔘越大時，流量在整個網(wǎng)幕上分布的均勻性越差。對比不同網(wǎng)幕的結(jié)果可以看出，在總流量相同時，DTW200×1 400局部流量沿程分布的均勻性相比于DTW325×2 300而言更差，尤其是流量較大時，采用較粗網(wǎng)幕的集液通道內(nèi)流量的沿程不均勻性更加明顯。例如，當總流量為0.5 m3/h時，DTW325×2 300出口處局部流量為0.013 4 m3/h，與盲端處的0.0121 m3/h相比差別較小，而DTW200×1 400在出口處為0.014 6 m3/h，盲端處僅為0.011 6 m3/h，局部流量相對于出口處衰減了20.5%。
3.4 網(wǎng)幕選型與通道尺寸
由于實驗樣件結(jié)構(gòu)的局限性，采用本文所提出的模型，進一步研究了不同網(wǎng)幕選型與通道尺寸對出流性能的影響。
圖7給出了采用4種不同編織密度的網(wǎng)幕在取液率Q=0.5 m3/h時的取液性能對比。通道尺寸與實驗樣件一致，DTW200×600的Cl=5.94×106 m－1，Ct=15.1；DTW450×2 750的Cl=1.07×108 m－1，Ct=70［26］。
由圖7（a）可知，當取液率一定時，越細的網(wǎng)幕具有越大的ΔPFTS，這顯然是由于細孔網(wǎng)幕孔徑更小，阻力系數(shù)更大。同時，細孔網(wǎng)幕泡破壓差也越高，即穿透壓損的安全邊界也越高。在網(wǎng)幕選型時，為綜合權(quán)衡泡破壓差和穿透壓損的影響，此前的研究通常以網(wǎng)幕的臨界流速（穿透壓損等于泡破壓差時對應(yīng)的流速）為判據(jù)，評估不同網(wǎng)幕的臨界取液率［27］。然而，此評價方法是基于網(wǎng)幕穿透壓損及穿透流速沿程分布均勻的假設(shè)，據(jù)此得到的通道臨界流率實際上是出口處的穿透速度與網(wǎng)幕總面積的乘積。如圖7（b）所示，網(wǎng)幕通道實際出流過程中穿透速度的沿程分布并不均勻，這將導(dǎo)致該方法計算獲得的臨界流率偏大。特別是較粗網(wǎng)幕，其穿透速度的沿程變化更加明顯，在選型設(shè)計時也會更大程度地高估取液性能。
由此，本文提出了以穿透壓損ΔPFTS與泡破壓差ΔPBP的比值來衡量泡破風(fēng)險的評價方法。其中，泡破壓差ΔPBP的計算公式如下
式中：γ為流體表面張力；θc為接觸角；Dp為網(wǎng)幕孔隙等效直徑。蒸餾水的表面張力取70 mN/m，與不銹鋼表面的接觸角約為49.5°［28］。DTW200×600、DTW200×1 400、DTW325×2 300、DTW450×2 750的孔隙等效直徑分別取44.76、21.73、14.79、11.83 μm［5］，計算預(yù)估得到的4種網(wǎng)幕在蒸餾水環(huán)境的泡破壓力分別為4 107、8 468、12 441、15 554 Pa。
以Q=0.5 m3/h的工況為例，如圖8（a）所示，4種網(wǎng)幕的泡破風(fēng)險均沿流動方向增加，在出口處取得最大值。越粗的網(wǎng)幕泡破風(fēng)險增長幅度越大，以DTW200×600為例，其出口處的泡破風(fēng)險相對盲端增大了2.3%，而DTW450×2 750出口處的泡破風(fēng)險僅增長了0.6%。由于ΔPFTS隨取液率增大而增大，泡破風(fēng)險也會受到取液率的影響。圖8（b）給出了不同網(wǎng)幕通道的最大泡破風(fēng)險率（即ΔPFTS（L）/ΔPBP）隨取液率Q的變化關(guān)系，ΔPFTS（L）為通道出口處的穿透壓損。可見，隨著Q的增大，4種網(wǎng)幕通道的泡破風(fēng)險均增大，直至泡破發(fā)生。ΔPFTS（L）/ΔPBP為100%時對應(yīng)的流量即為網(wǎng)幕通道的極限取液率。流量較低時，細孔網(wǎng)幕具有更高的泡破風(fēng)險；隨著流量的增加，粗孔網(wǎng)幕的泡破風(fēng)險增長更快，將更早發(fā)生泡破，這是因為泡破風(fēng)險由ΔPFTS和ΔPBP共同主導(dǎo)。在低流量下，細孔網(wǎng)幕更高的阻力系數(shù)占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致其泡破風(fēng)險偏高；在高流量下，粗孔網(wǎng)幕更低的ΔPBP意味著更低的安全邊界，導(dǎo)致其泡破風(fēng)險更高。
除了網(wǎng)幕選型，通道尺寸的改變也會對出流性能有所影響，但改變通道尺寸的同時也會改變裝置的總質(zhì)量，這將影響到裝置的經(jīng)濟性。通道所用的金屬壁面板材質(zhì)量可表示為
mLAD=（2H+W）Lρmδ（12）
式中：ρm為金屬板材的密度；δ為板材厚度。由于材質(zhì)一定，其ρm、δ均為定值，因此可以用（2H+W）L來表征通道質(zhì)量的大小。
以DTW325×2 300為例，取液率取Q=0.5 m3/h。首先研究通道長度、寬度和高度對取液性能的影響。單獨改變一個參數(shù)勢必會帶來通道質(zhì)量的改變，以實驗樣件尺寸參數(shù)為基準，控制通道質(zhì)量的增量一致，改變通道任一尺寸參數(shù)所帶來的影響如圖9所示。橫坐標的通道面積（2H+W）L可以表征通道質(zhì)量大小，縱坐標ΔPFTS（L）是通道出口處的穿透壓損，也是通道全程ΔPFTS的最大值。由圖9可知，出流量一定時，增大通道的長度、寬度、高度均能減小ΔPFTS，但對ΔPFTS的削減能力不同。在通道質(zhì)量增量一致時，增大通道的寬度能夠更顯著地降低ΔPFTS，更有利于降低泡破風(fēng)險。
進一步，若裝置的設(shè)計質(zhì)量已經(jīng)確定，以實驗樣件尺寸參數(shù)為基準，在保持樣件總質(zhì)量和網(wǎng)幕有效面積不變的前提下，計算分析不同樣件尺寸對取液性能的影響。表3給出了5種符合要求的樣件尺寸，按照寬度由小到大的順序依次編號為1～5，圖10給出了這5種尺寸所對應(yīng)的穿透壓損分布情況。
圖10表明，通道越長、寬度越窄、高度越小時，穿透壓損的分布越不均勻，且出口處的ΔPFTS（L）越大。當通道的總質(zhì)量一定時，在網(wǎng)幕有效流通面積不變的情況下，減小長寬比有利于降低穿透壓損。另一方面，針對同一種網(wǎng)幕類型，阻力系數(shù)相同，穿透壓損的分布趨勢即可代表穿透速度的分布趨勢，可見降低通道長度、增加寬度和高度更有利于流量的均勻分布。然而，在微重力情況下，貯箱內(nèi)液體分布不均勻，為使網(wǎng)幕更大程度接觸液體，通道長度也不宜過短。因此，在通道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合實際任務(wù)工況條件，在保證液體獲取率的情況下盡可能減小通道長度。
4 結(jié) 論
為研究網(wǎng)幕通道式液體獲取裝置水平出流性能，本文構(gòu)建了一種基于體積流量邊界的水平出流模型，并通過實驗驗證了模型的準確性，在理論和實驗研究基礎(chǔ)上給出了網(wǎng)幕通道式LAD設(shè)計和優(yōu)化建議，得到主要結(jié)論如下。
（1）本文提出的水平出流模型與實驗數(shù)據(jù)的平均相對誤差為3.5%，經(jīng)驗證能夠準確預(yù)測網(wǎng)幕通道出流過程網(wǎng)幕穿透壓損和取液流量的沿程分布特性，為LAD的設(shè)計與優(yōu)化提供理論支持。
（2）通道集液出流過程中，網(wǎng)幕穿透壓損與取液流量并非沿程均勻分布，而是沿流動方向逐漸增大。總?cè)∫毫吭酱髸r，不均勻性越顯著。
（3）提出了以穿透壓損與泡破壓差比值為指標的泡破風(fēng)險評價方法。通道出口始終為泡破風(fēng)險最大位置。低流量下，粗孔網(wǎng)幕通道泡破風(fēng)險更小，但取液均勻性較差。高流量下，細孔網(wǎng)幕通道的泡破風(fēng)險較小，且有利于均勻取液。
（4）在保持通道質(zhì)量和網(wǎng)幕流通面積不變的前提下，減小通道長寬比可以提高穿透壓損與流量分布的均勻性，有利于降低泡破風(fēng)險。若需擴大通道尺寸，同等的質(zhì)量增量下增加寬度更有利于降低網(wǎng)幕穿透壓損。
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（編輯 杜秀杰）
