Численное моделирование сепарации жидкого кислорода и газообразного гелия в условиях микрогравитации
Авторы: Кукшинов Н.В., Евстигнеева В.Е., Ганцев А.А., Подчуфаров А.А.
Опубликовано в выпуске: #8(176)/2026
Раздел: Механика | Рубрика: Механика жидкости, газа и плазмы
Представлены результаты численного моделирования процесса сепарации жидкого кислорода и газообразного гелия в условиях микрогравитации при вращении сферического бака вокруг поперечной оси. Математическая модель основана на уравнениях Навье — Стокса для двухфазной несжимаемой среды во вращающейся системе координат. Для отслеживания межфазной границы использован метод объема жидкости (VOF) в сочетании с моделью континуальной поверхностной силы (CSF), учитывающей капиллярные эффекты и смачивание стенок. Для расчета турбулентных характеристик используется двухпараметрическая модель турбулентности k–ω SST. Проведена серия расчетов на последовательно сгущающихся неструктурированных полиэдрических сетках (300 тыс., 600 тыс. и 1,5 млн ячеек). Разработан специализированный алгоритм кластеризации на языке программирования С для автоматического определения времени сепарации — момента, когда более 99 % объема газа собирается у стенки. Установлено, что при недостаточном пространственном разрешении погрешность моделирования времени сепарации может достигать 20 %. Переход от промежуточной сетки (600 тыс. ячеек) к подробной (1,5 млн) снижает погрешность до 7,7 %. Показано, что смещение центра масс системы по осям X и Y достигает 6 и 5 мм соответственно при радиусе бака 150 мм, а проекции сил на стенки выходят на стационарный режим после завершения переходных процессов. Результаты сопоставлены с данными космического эксперимента FLUIDICS.
EDN FNZZZO
Литература
[1] Бычков А.Д. Способ дозаправки жидким топливом космического объекта в космическом пространстве. Пат. № 2787259 Российская Федерация, 2023, бюл. № 1, 6 с.
[2] Перфильев Л.А., Подобедов Г.Г., Соколов Б.А. Исследование вопросов гидромеханики в условиях невесомости на борту орбитальной станции Мир. Известия РАН, 2003, № 4, с. 44–50.
[3] Storey J.M., Kirk D., Marsell B., Schallhorn P. Progress towards a microgravity CFD validation study using the ISS SPHERES-SLOSH experiment. AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum, 2020, p. 3814.
[4] Lapilli G. Design of a liquid sloshing experiment to operate in the International Space Station. 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 2015, p. 4074.
[5] Abramson H.N. The dynamic behavior of liquids in moving containers, with applications to space vehicle technology. NASA SP-106, 1967.
[6] Konopka M., Behruzi P., Schmitt S., Dreyer M. Phase change in cryogenic upper stage tanks. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA 2014-3998, 2014.
[7] Von Rüden D. Pressurization behavior of a cryogenic propellant tank in microgravity. Master’s thesis, Universität Bremen, 2021.
[8] Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. A continuum method for modeling surface tension. Journal of Computational Physics, 1992, vol. 100, no. 2, pp. 335–354.
[9] Hardy T.L., Tomsik T.M. Prediction of the ullage gas thermal stratification in a NASP vehicle propellant tank experimental simulation using FLOW-3D. NASA Technical Memorandum 103217, 1990.
[10] Wang L., Li Y., Li C., Zhao Z. CFD investigation of thermal and pressurization performance in LH2 tank during discharge. Cryogenics, 2013, vol. 57, pp. 63–73.
[11] Liu D., Lin P. A numerical study of three-dimensional liquid sloshing in tanks. Journal of Computational Physics, 2008, vol. 227, no. 8, pp. 3921–3939.
[12] Sussman M., Smereka P., Osher S. A level set approach for computing solutions to incompressible two-phase flow. Journal of Computational Physics, 1994, vol. 114, no. 1, pp. 146–159.
[13] Dalmont A. Comparison between the FLUIDICS experiment and direct numerical simulations of fluid sloshing in spherical tanks under microgravity conditions. Microgravity Science and Technology, 2019, vol. 31, pp. 123–135.
[14] Green M.D., Zhou Y., Dominguez J.M., Gesteira M.G., Peiro J. Smooth particle hydrodynamics simulations of long-duration violent three-dimensional sloshing in tanks. Ocean Engineering, 2021, vol. 229, art. 108925.
[15] Trimulyono A., Atthariq H., Chrismianto D., Samuel S. Investigation of sloshing in the prismatic tank with vertical and T-shape baffles. Brodogradnja: An International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering for Research and Development, 2022, vol. 73, no. 2, pp. 43–58.
[16] Huang C.-Y., Wang J.-F., Zhao W.-W., Wan D.-C. Numerical simulation of liquid sloshing in a spherical tank by MPS method. Journal of Hydrodynamics, 2024, vol. 36, no. 2, pp. 232–240.
[17] Storey J.M., Kirk D.R. Experimental investigation of spherical tank slosh dynamics with water and liquid nitrogen. Journal of Spacecraft and Rockets, 2020, vol. 57, no. 5, pp. 876–890.
[18] Harvie D.J.E., Davidson M.R., Rudman M. An analysis of parasitic current generation in volume of fluid simulations. Applied Mathematical Modelling, 2006, vol. 30, no. 10, pp. 1056–1066.
[19] Heyns J.A., Oxtoby O.F. Modelling surface tension dominated multiphase flows using the VOF approach. 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI), 2014.
[20] Scheufler H., Roenby J. Accurate and efficient surface reconstruction from volume fraction data on general meshes. Journal of Computational Physics, 2019, vol. 383, pp. 1–23.
[21] Martinez J.M., Chesneau X., Zeghmati B. A new curvature technique calculation for surface tension contribution in PLIC-VOF method. Computational Mechanics, 2006, vol. 37, no. 2, pp. 182–193.