北京科技大学王庆功教授：空间跨结构尺度两相流动与相变传热耦合模型及应用研究进展

转自 传热传质青委会
研究背景

多相流体及热管理在空间热控系统和推进系统中均发挥着重要作用，前者包括热管、环路热管及泵驱两相回路等，后者包括各类在轨航天器的推进剂管理系统以及运载火箭的低温推进剂贮箱等。在工作模式上，上述热控系统主要通过工质的循环输运与相变换热实现航天器内部热量的高效传递与动态调配；推进剂管理系统则需保障推进剂的有效供剂、稳定贮存和温压控制。随着航天任务向多样化、商业化和深空化发展，空间低温推进剂流体管理和热控管理也面临新的挑战。一方面，航天器在不同任务阶段会经历显著的低重力、变重力或持续微重力等复杂动力学环境，两相流体的流动形态、界面演化和传热传质机制呈现出区别于常重力条件的显著特征。另一方面，以液氖、液氢和液氧为代表的低温流体，具备高效低温换热与高性能推进等优势，是航天器热控系统和推进系统中的重要工质；然而，低温流体具有低表面张力、低沸点、易蒸发等特性，在复杂热-动力耦合条件下自由界面易发生大幅变形、迁移和破碎，给气液分离带来困难。因此，揭示空间复杂环境下低温流体的多相流动、相变传热和界面演化机理，实现其可控输运、传热管理和两相稳定分离，是提升航天器系统性能及可靠性的关键科学与技术问题。

为应对空间复杂动力学环境，目前空间流体管理装置内部通常采用多孔性结构（包括毛细芯、网幕、流体槽道和多孔板）对流体进行约束与定位，并利用多孔介质提供毛细力实现流体的定向输运。由于宏观流动域和多孔结构区域的共存，形成了典型的跨结构尺度流动特征：宏观开放区域流动特征尺度可达米级，而沿多孔结构表面及内部孔隙的流动尺度则跨越厘米至微米量级（如图1）。不同尺度流域之间存在两相流动的连续性渗透，宏观自由流动与多孔介质毛细渗流相互耦合，并伴随气液界面的持续变形与迁移，形成了典型的跨结构尺度两相流问题。同时，伴随着传热、相变和传质等过程，形成了复杂的跨结构尺度两相流动与相变传热耦合问题。由于不同流域空间尺度上的显著差异，界面动力学与相变传热过程具有高度非线性，无法采用统一网格尺度和常规的数值模拟方法开展仿真分析，需要解决网格规模庞大、计算成本高及界面演化求解稳定性不足等一系列挑战。为解决这类问题，我们建立了跨结构尺度两相流动与相变传热耦合模型，本文重点介绍该模型的建立方法、模拟效果，以及在航天器热控系统和运载器推进系统中的应用研究进展。

图1 空间极端环境下跨结构尺度两相流动和相变传热耦合特性

研究成果

宏观自由流动与多孔介质渗流耦合研究，最早面向地下水运移、油气藏开发等地质工程领域问题，两相渗透模型已有相关雏形。然而航天器/运载器的空间流体管理装置内部的气液两相流动特征更为复杂，热质传输与相变耦合带来新的问题。分析这些过程，不仅需要描述宏观流域与多孔介质流域之间流动机制的转换，还要捕捉两个流域内的相分布以及域间交界面处气液界面的连续演化。特别是在低重力和持续微重力条件下，表面张力、润湿性及多孔结构毛细作用逐渐成为流体输运与界面控制的主导机制，此时多孔介质区域不仅是阻力区，更重要的是它为两相渗透提供了有效毛细力。现有模型在宏观惯性流动与微细尺度毛细渗流协同求解、跨尺度域内气液界面追踪，以及复杂动力学条件下对毛细驱动机制的表征等方面存在明显不足。

（1）跨尺度结构内的两相流动模型及其应用

针对上述问题，我们首先解决跨尺度结构内的两相流动与界面演化模拟难题。从对不同流域的处理思路出发，采用了两种不同的方法构建跨尺度两相流动数值模型，并验证其可靠性。第一种方法是将宏观流域与多孔介质流域视为具有空间变孔隙特征的广义多孔介质，通过对全流域进行统一尺度升级，建立由孔隙度和渗透率共同表征的宏观流动控制方程（如Brinkman方程），即所谓“单域法”。在尺度升级中将微观孔隙结构及流动特征映射为宏观连续介质参数与控制方程。那么在宏观尺度流域，孔隙度即为1，渗透率趋于无穷大，多孔介质阻力项相应消失，控制方程退化为自由流动方程（Navier-Stokes方程）；在多孔介质渗透流域，相关参数则取决于多孔介质微观孔隙结构。该方法在同一方程框架下描述全域流动，避免了在域间交界面处显式添加不同流动方程之间的速度和应力匹配条件。同时，我们在多孔介质区域的动量守恒方程中引入由孔隙尺度毛细压力转化得到的体积力项，补充了传统模型对毛细驱动机制描述不足的问题。由此形成了基于统一控制方程描述、连续界面追踪和毛细驱动机制表征的“单域法”跨尺度两相流动数学理论模型。

第二种方法依据不同流域主导流动机制的差异进行分区处理，仅对多孔介质区域进行尺度升级得到宏观流动方程（Darcy方程），而宏观自由流域保留Navier-Stokes方程，即所谓“双域法”。不同流域的控制方程可以基于Onsager变分原理从热力学底层推导获得，同时得到基于相场方法的域内气液界面演化方程和域间交界面多相耦合条件。与第一种方法相同，在多孔介质区域的动量守恒方程中添加毛细体积力项，以表征孔隙毛细作用对流体输运的驱动效应。两个流域分别采用了与其主导物理机制相适应的动量守恒方程，并通过交界面条件实现耦合，形成了基于“双域法”的跨尺度两相流动数学理论模型。

两种模型均通过短时微重力条件下跨尺度结构内流体重定向实验结果完成了验证，模型计算的界面演化过程和流体分布特征与实验结果具有良好的一致性。同时明确了两种模型的适用范围：单域模型无需显式求解复杂的跨域耦合条件，在计算效率和工程适用性方面具有优势，适用于以整体流动特性为主要关注对象的工程仿真；双域模型分别表征宏观流动与多孔介质渗流的主导机制，更适用于对界面演化精度和局部流动机理要求较高的理论研究与精细化仿真。

图2 跨尺度两相流动机制及数值方法框架图

在应用方面，首先将构建的跨尺度两相流动数值模型应用于航天器两相流热控系统，选取泵驱两相流体回路（MPTL）储液器和低温环路热管（CLHP）蒸发器/储液器两类典型装置开展研究，获得了装置内部直观的液体输运、两相再分布及界面演化的动态过程，分析了多孔结构孔隙半径等参数对液体输运效率的影响规律。对于MPTL储液器，研究明确了孔隙半径通过调节毛细驱动力和渗透阻力影响流体输运速率，同时发现储液器内液位波动会显著影响多孔结构的供液能力。对于CLHP蒸发器/储液器，仿真可视化了液体由储液器向蒸发器毛细芯输运并重新分布的动态过程，揭示了主、次毛细芯在毛细驱动与液体补给中的协同作用。主毛细芯宜采用较小孔径，可形成较高毛细压差，从而促进回路内流体循环；次毛细芯选用较大孔径，降低流体输运阻力，实现工质从储液器到蒸发器主芯的快速补给。相关结果为多孔结构的参数选择与结构布置提供了指导依据。

图3 MPTL储液器多孔丝网内液体爬升高度及瞬态流体分布

图4 LHP蒸发器/储液器内瞬态流体分布

进一步针对运载火箭的推进系统，采用跨尺度两相流动模型研究了可回收火箭低温推进剂的管理问题。参考“星舰”第六次飞行试验中一级主发动机关机至级间分离期间的轴向加速度变化，建立了典型可回收火箭一子级液氧贮箱物理模型和加速度变化条件。获得了复杂变过载条件下推进剂的晃动与再分布特性，以及多孔隔板对气液界面的调控作用。研究表明，轴向加速度剧烈变化会导致无隔板贮箱内推进剂发生剧烈掺混，可能对后续任务执行产生不利影响；设置多孔隔板可以有效抑制气液掺混现象，使大部分推进剂聚集在贮箱底部。其中，小孔隙和较密排布的多孔隔板具有较低渗透率，在黏性耗散效应和毛细效应的协同作用下能最大程度上缓解推进剂的冲击。该研究结果为回收火箭贮箱内推进剂管理结构的设计提供了新的技术思路。

图5 级间分离阶段可回收火箭贮箱内液氧的瞬态分布

（2）跨尺度结构内的两相流动与相变传热耦合模型及其应用

在上述基础上，进一步考虑空间流体管理装置中非稳态热负荷输入、热传输、两相掺混等引起的气液相变与传热问题，我们在两相流动模型基础上进一步构建了跨尺度热-流-质耦合数值计算模型。该模型在全流域建立统一的能量守恒方程，引入相关相变传质模型，根据局部温度相对于饱和温度的过热/过冷度计算气液相间质量转移速率。通过定义相界面处有效的质量和能量源项并添加到控制方程，确保跨尺度域间的能量传递和相间质量转移满足守恒关系，实现流场、温度场和相场的非线性耦合求解。针对传统界面追踪方程难以反映由相变引起的界面推移，对水平集界面输运方程进行了修正，在界面运动速度中加入由相变质量通量决定的法向推移速度，使模型能够同时描述由流体运动引起的界面对流和蒸发、冷凝引起的界面推移。由此，模型实现了宏观自由流域和多孔介质流域之间流体输运、热量传递、相间质量转移及界面演化的统一描述。模型验证结果表明，数值计算得到的不同热负荷下蒸发器壳体平均温度和气液界面动态迁移过程均与实验结果具有良好的一致性，该模型能够准确地表征跨尺度结构内流动、传热、传质与界面演化之间的耦合关系。

图6 跨尺度“流-热-质”多物理场耦合机制及数值方法框架图

在应用方面，将模型应用于SJ-20卫星搭载的CLHP蒸发器-储液器组件模拟，研究非等温工况下的热力学响应与蒸发器向储液器的漏热特性。结果再现了启动过程中由显热传导向潜热蒸发转变的过程，并明确了吸液芯孔径、材料和结构厚度对寄生漏热及运行稳定性的影响。研究表明，小孔径或高导热材料的吸液芯能够增强工质回流、提高运行稳定性，但会增加蒸发器向储液器的漏热；低导热材料的吸液芯有利于削弱导热，但供液能力不足时可能增加局部烧干风险；另外，适度增加吸液芯厚度能够有效抑制寄生漏热。在此基础上，该模型可进一步用于构建完整的回路，研究回路的启动、循环与热质传输规律等。

图7 不同毛细芯材料的蒸发器内部流场和温度场

图8 不同毛细芯材料的瞬态蒸发量和寄生漏热量

进一步，该模型应用于可回收火箭低温推进剂流动传热特性及管理方法研究，重点分析复杂动力环境下低温推进剂界面扰动与热力状态的耦合机制。通过解析“星舰”第六次飞行试验中主发动机关机至调头结束阶段的飞行数据，获得轴向过载、横向过载及旋转角速度的变化曲线，并建立无隔板和布置多孔隔板的典型液氧贮箱模型。在此基础上，研究复杂变过载与姿态调整过程中低温推进剂的瞬态流动行为及温度、压力演化规律，揭示多孔隔板对气液掺混与相变过程的调控机制。研究表明，轴向过载的急剧衰减与大角度旋转会驱使低温推进剂向贮箱顶部移动，并与过热气体发生强烈掺混，导致推进剂温度升高、气枕压力下降，进而使得贮箱压力与推进剂供应条件难以满足发动机入口要求；而在贮箱底部布置复杂多孔隔板后，大部分推进剂可以被约束在贮箱底部，气液掺混显著减弱，从而有效抑制气枕区域压力衰减和推进剂温升，进一步针对低温贮箱开展内部结构优化设计，形成了可回收火箭返回阶段低温推进剂管理关键技术方案。

图9 返回阶段液氧贮箱内瞬态两相流动行为

图10 返回阶段有管理装置（多孔隔板）液氧贮箱内温度分布变化

总结与展望

我们围绕空间环境下典型跨结构尺度两相流动与相变传热耦合问题，建立了跨尺度两相流动模型和热-流-质多物理场耦合数值模型。相关模型为揭示空间流体管理装置内的流体输运、界面调控与相变换热机理，以及开展装置结构设计和性能优化提供了有效的仿真分析手段。相关研究可进一步拓展至更复杂的空间热-动力环境与多类型流体管理装置，为月球科研站、深空探测任务及新一代可重复使用运载器中关键流体部件的设计、性能评估与运行调控提供理论基础和技术支撑。

论文信息

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[4] 王晴，顾君苹，黄钜行，朱志强，周炳红，于强，王庆功*. 可回收火箭级间分离阶段推进剂流体动力学与管理方法. 宇航学报, 2026, 47(8):  2219-2228.

作者介绍

王庆功，北京科技大学能源与环境工程学院，教授，博士生导师。团队主要以极端环境/复杂/跨尺度多相流与热质传输理论和方法为基础，推动两个方向的研究及应用：1）地面复杂多相流动过程，热能利用、余热回收与节能技术；2）空间极端环境下多相流动过程，热控、流体管理与地外资源开发利用技术。已发表学术论文100余篇，他引1500余次，获得国家发明专利30余项，国家自然科学基金面上项目、青年基金、专项项目，科技部“国家重点研发计划”子课题，北京市自然科学基金—联合基金项目，企业横向等30余项课题支持，入选“北京市科技新星计划”及相关科技奖励5项。

联系方式：wangqinggong@ustb.edu.cn

王晴，北京科技大学能源与环境工程学院，博士后。博士毕业于中国科学院大学，2026年7月进入北京科技大学能源与环境工程学院从事博士后研究工作，主要研究方向为空间多相流与热质传输理论方法和关键技术、高级计算流体力学方法和智能数值模拟技术。

联系方式：qing_wang17@163.com