未来的深空探测以及在轨加注任务等都要求高效经济的推进剂。低温推进剂,例如液氢、液氧、液态甲烷等,以其高比冲、无毒无污染、价格相对低廉等特点,被普遍认为是航天器进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂,逐渐成为各航天大国研究的重点。由于低温推进剂的贮存温度低,与环境存在很大温度差,容易导致贮箱漏热发生,引起贮箱内流体相变、压力上升和温度分层等自增压现象产生。低温推进剂的长期在轨安全贮存是影响其未来航天应用的关键技术。本文针对低温推进剂贮存过程中涉及的两相流关键问题,包括自增压现象、换热方式对贮存中自增压现象的影响、贮箱压力/温度控制及液体量测量等,进行了较为系统深入的研究。论文主要工作如下:(1)针对无排放低温贮箱的自增压现象进行了理论分析。建立了低温推进剂贮存的物理及数学模型,提出了低温容器自增压的理论计算方法。建立了气体集中参数与液体导热相结合的热扩散模型,编写了相应的计算程序,并利用已有文献中的实验数据对理论计算模型进行了验证,热扩散模型的预测值与实验值具有较好的吻合度。利用热扩散理论计算模型分析了漏热量、填充水平、漏热方式、贮箱大小及非冷凝气体对自增压的影响。(2)针对对流换热对自增压现象的影响进行了数值模拟。建立了流体体积分数法(Volume of Fluid,VOF)与Hertz-Knudsen-Schrage相变模型相结合的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型,利用已有实验数据验证了模型的可行性,分析了流体流动形态、压力上升规律及温度分层现象。在此基础上,重点研究了漏热量、漏热方式、填充水平及重力水平对无排放低温贮箱贮存过程中自增压现象的影响。分析得出:漏热量、漏热方式和填充水平对低温推进剂无排放贮存过程中的流体流动和温度分层有较大影响。在相同漏热量下,漏热初期,低温贮箱压力上升速率随重力水平减小而降低;漏热后期,在壁面较易发生局部回流,导致局部过冷沸腾,使压力上升速率随重力水平减小而增大。(3)针对局部过冷沸腾换热对自增压现象的影响进行了实验研究。搭建了地面实验研究平台,分析了初始压力、填充水平和漏热量等因素对压力上升、温度分层和汽泡特性的影响,得到了贮箱压力上升规律。重点研究了密闭容器压力变化下汽泡的动力学行为,对不同测量工况下汽泡尺寸变化规律进行了总结,建立了汽泡的指数型生长模型。(4)针对低温推进剂贮存的贮箱压力/温度控制方法进行了研究。建立了采用壁面肋片进行压/温控的数学模型,分析了肋片间距、材料类型、截面形状等因素对贮箱压力上升及温度分布的影响。结果表明:壁面布置肋片加强了肋片间被壁面加热的流体与过冷主体流体的混合,在一定程度上降低了压力上升速率和压力值。针对排气降压过程中的液体闪蒸现象,建立了基于Hertz-Knudsen-Schrage相变模型的液体温度变化模型,通过实验验证了该模型的正确性。结果表明:液体闪蒸时,其温度在初期迅速下降,而后下降速率逐渐减小,到达拐点后温度趋于稳定;过热度及填充水平对液体温度变化有重要影响,而初始温度对温度变化影响较小。(5)针对低温推进剂液体量测量的体积激励法进行了实验研究。搭建了相应的地面验证系统,给出了实验方案,并开展了贮箱接触式体积激励法测量液体量的地面验证实验。实验结果表明:在不同填充水平下的液体量测量,测量误差皆能控制在贮箱总体积的1%以内,且测量系统具有很好的可靠性和结果可重复性;在低频激励下,测量值低于真实值,而在高频激励下,测量值高于真实值;激励频率对差压信号具有倍频谐波效应,该效应将对信号处理滤波器设计产生影响。在此基础上,提出了一种贮箱非接触式体积激励测量方法,对测量系统进行了改进并开展相应的验证实验。结果表明:进行非接触式测量时,激励频率应该比接触式测量时更低,才能保证激励腔内的压力变化情况较好地传递到贮箱内。(6)针对航天器姿态干扰和贮箱漏热情况下液体量测量的体积激励法进行了研究。针对航天器姿态干扰,建立了姿态干扰的影响模型,对具有初始热分层现象的贮箱进行了晃动数值模拟;同时搭建了贮箱受到姿态干扰时的地面模拟系统,开展了贮箱晃动过程中体积激励法测量液体量的相关实验,验证了该方法在贮箱受到姿态干扰时的测量精度。针对贮箱漏热的影响,利用自增压现象的研究成果,讨论了压力变化和液体温度分布对体积激励法产生的影响;改进了地面实验系统,增加了加热设备,开展了贮箱漏热时体积激励法测量液体量的相关实验,得到了贮箱漏热对体积激励法测量液体量精度的影响规律。论文采用理论分析、数值模拟及实验研究的方法对低温推进剂贮存过程中的自增压现象及液体量测量方法进行了研究,对低温推进剂贮存过程中的流体流动及传热效应进行了较为全面、系统的探索,论文的研究成果将为我国低温推进剂在未来航天任务中的应用提供重要的理论和工程实践指导。