液体推进剂管理技术作为航天器推进系统的关键技术,主要包括推进剂的储存、控制和传输技术。太空特有的微重力环境使表面张力成为控制液体行为的主导力,液体在表面张力的作用下会呈现出与地面不同的流动特性。了解和掌握微重力下液体的流动特性,是确保航天器推进系统正常工作的前提和基础。由于微重力实验条件难以获取,针对微重力下的液体流动特性研究仍不完善。本文针对板式表面张力贮箱推进剂管理技术中存在的关键问题,对微重力下的气液自由界面建模、弯曲流道压差驱动自由界面流、弯曲流道内角自流问题开展了理论、仿真和实验研究。在理论研究的基础上,对板式表面张力贮箱设计进行了积极探索,并设计了一款面向微小卫星的可重复填充板式表面张力贮箱。论文的主要工作总结如下:（1）微重力下的气液自由界面近似建模研究。以微重力下的气液自由界面建模问题为背景,针对传统数值方法在求解气液自由界面过程中遇到的依赖初值选取、收敛性差、效率低等问题,提出采用近似建模方法来代替气液自由界面控制方程。为了进一步减小计算量、提高计算效率,对径向基近似模型进行了改进,提出了双层径向基近似模型。通过将变量分层,有效避免了近似建模过程中的大规模矩阵运算,减小了舍入误差。比较了双层径向基近似模型、径向基近似模型和打靶法,测试了三种方法求解气液自由界面的计算效率、成功率以及精度。与传统打靶法相比,径向基近似模型将气液自由界面问题求解的计算效率提高了73.89%,成功率提高到了100%。而双层径向基近似建模方法的计算效率相比于径向基近似建模方法进一步提高了97.95%,而且均方根误差只有后者的1/40。（2）微重力下的弯曲流道压差驱动自由界面流研究。以板式表面张力贮箱内部推进剂排出过程为背景,从理论和数值仿真两个方面对微重力下的弯曲流道压差驱动自由界面流进行了研究。基于动量方程、连续方程和Young-Laplace方程,建立了极坐标下的弯曲流道压差驱动流一维理论模型。该模型充分考虑了弯曲运动产生的离心力对自由界面和压力损失的影响。为了验证弯曲流道压差驱动流理论模型,进行了三维CFD数值仿真。比较可知,一维理论模型解与三维CFD仿真结果具有良好的一致性,两者的平均相对误差和均方根误差仅为1.51%和0.0237。（3）微重力下的弯曲流道内角自流研究。以板式表面张力贮箱内部推进剂定位和重定位问题为背景,从理论和实验两个角度对微重力下的弯曲流道内角自流问题进行了研究。通过将液体在弯曲型内角流道的自流问题简化成受离心加速度作用的直线型内角自流问题,并综合考虑弯曲运动引起的离心力对自由界面和流阻函数的影响,建立了微重力下的弯曲流道内角自流理论模型。为了验证弯曲流道内角自流理论模型的正确性,借助北京中科院力学所微重力落塔对弯曲流道内角自流问题进行了一系列微重力实验,并将落塔实验结果与理论结果进行了对比,发现两者有较好的一致性。理论和实验结果都表明,随着流道曲率的增大,液体的爬升速度加快。（4）基于弯曲流道自由界面流理论的板式贮箱设计研究。以微小卫星板式表面张力贮箱设计为背景,在弯曲流道自由界面流动机理研究的基础上,对板式表面张力贮箱设计进行了积极地探索。综合考虑使用寿命、卫星质量、推进剂种类、推进剂流量、机动加速度方向和大小、点火方式和时间、质心控制、振动环境等直接影响贮箱性能的因素,提出了板式表面张力贮箱设计中应该遵循的8个设计原则。重点讨论了三种常见的导流板结构——内导流板、外导流板、内外组合式导流板,对三种导流板结构的优缺点、适用性进行了详细的分析。并基于微重力下的弯曲流道自由界面流动理论,建立了三种导流板结构的导流能力分析模型。综合考虑气液分布、排气、排液、加速度干扰等因素,以单位尺寸导流板导流能力最强为目标,设计了一款面向微小卫星的可重复填充的板式表面张力贮箱,详细展示了板式贮箱的设计细节。（5）板式贮箱内部推进剂流动特性数值仿真及实验研究。综合考虑经济、时间、人力成本,针对第五章设计的微小卫星可重复填充板式表面张力贮箱设计了性能测试实验矩阵,用以检验贮箱在各种正常工况以及非正常工况下完成额定工作任务的能力。借助微重力落塔和CFD仿真,重点测试了板式贮箱的定位、重定位、填充和排出效率以及受加速度干扰时的性能。测试结果表明,板式贮箱的填充率和排出率均满足设计要求,并且在10^-3g的加速度环境下,贮箱仍可以正常工作。说明文中所采用的理论分析、数值仿真、微重力实验相结合的设计方法,在贮箱初步设计过程中是可行的。综上,论文通过理论分析、微重力实验、数值仿真等手段,对微重力下的弯曲流道自由界面流动进行了深入研究,进一步丰富和完善了微重力流体力学体系,并探讨了弯曲流道自由界面流理论在板式表面张力贮箱优化设计中的应用,为板式表面张力贮箱的优化设计提供了理论支撑,对于推动板式贮箱设计水平具有较大的理论意义和工程应用价值。