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基于分区模型的液氢贮箱地面温度与压力分布研究.pdf
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1、基于分区模型的液氢贮箱地面温度与压力分布研究朱洪来,赵立伟,梁红义,魏健健(北京控制工程研究所,北京;浙江大学制冷与低温研究所,杭州)摘要:针对传统商用软件计算液氢贮箱热分层时的计算量大且耗时长等问题,运用分区模型方法将地面液氢贮箱内部空间分为过热区、饱和区和过冷区 块区域,并离散气相 液相区的质量与能量守恒方程和热力学方程,在确定初始条件便求解液氢贮箱内温度与压力分布。对比分区模型与 计算结果可知,该方法在大幅降低计算资源情况下,可获得液氢贮箱内温度与压力的精确分布,为后续流体混合计算提供初始条件。关键词:液氢贮箱;热分层;分区模型;温度分布;压力分布中图分类号:文献标识码:文章编号:()收
2、稿日期:;修回日期:第一作者:朱洪来,男,博士,高级工程师,研究方向为空间低温推进。:,(,;,):,:;引言 为实现更高比冲、更大的运载能力,早期各国的运载火箭应用液氢 液氧低温推进剂,并逐步利用低温火箭末级或上面级开展短期空间飞行任务,成为了低温空间飞行器的雏形。液氢贮箱工作在空间复杂热环境下,内部压力随工作时间逐渐增加,因此压力控制是液氢贮箱关键技术之一。液氢贮箱面对空间恶劣的热环境,由于空间微重力造成内部介质自然对流消失,加之液氢的热导率低,从而液氢贮箱内出现严重的热分层现象。热分层直接造成贮箱内部气液两相局部过热,引起液氢非必要气化,从而引起低温贮箱内压力异常变化。第 卷 第 期 年
3、 月 载 人 航 天 年,波音公司对贮箱内液体由于混合引起的气相液化以及液体消除分层问题进行了实验研究。年,研究中心通过数值分析与实验数据对比方法研究了液氢贮箱强制对流去分层问题。年,对液氢储罐的蒸发率进行了 次实验,实验检验热力学排气与流体混合系统在地面液氢试验中抑制气相和液相热分层的能力。年,等、等在室温温区 模拟装置采用 为气液相变贮存介质,针对 的混合模式和排气模式提出了 种运行控制策略,进行了贮箱内液体温度、热分层以及排气损失的研究。为分析低温贮箱内的流场和温度场的演化规律,多采用计算流体力学(,)通用软件 或 等进行物理仿真分析开展了数值分析。等基于 软件开展了一系列液氢贮箱自增压
4、、循环去分层过程的 数值研究。考虑到箱体的轴对称,数值模型为二维轴对称几何。两相流动多计算采用体积含量模型(,),相比于对气相和液相分别建立()控制方程的 模型,该模型为单流体模型,即假设气液两相流为一种混合流体,只对混合流体()建立相应的 守恒方程,其中相含量通过一个额外的相体积输送方程计算得到。由于是单流体方程,控制方程相对 模型减少,因此计算速度更快,收敛性更好。缺点是该模型假设气液之间没有相对速度,即不考虑相间的相对速度。但考虑到储罐内流动速度小,因此该假设引起的误差可以忽略。由于漏热条件等因素影响贮箱的增压速率缓慢,且受时间步长的限制,采用 软件计算出在给定时间内的温度分布极为困难。
5、本文采用分区模型,将贮箱内部空间分为过热区、饱和区和过冷区三块区域,离散化气相 液相区质量和能量守恒方程和热力学方程,确定初始条件,求得液氢贮箱内热分层与压力分布。理论分析 分区模型 液氢贮箱的三区模型示意图如图 所示,贮箱为椭球封头加圆柱段构型。贮箱漏热为第二类边界条件的均匀热流密度漏热,其热流密度沿贮箱轴对称。不考虑由于外界气温和绝热材料不均匀性导致的漏热随时间的变化。图 液氢贮箱的三区模型示意图 在贮箱内部介质所占空间分为气枕区、气液界面区和液氢区 块区域,各区分别为一个单独控制体。基于贮箱和外界环境条件沿贮箱轴向的对称性,气枕区仅在贮箱轴向方向存在较大温度梯度,但无明显压力梯度变化。由
6、于重力作用,不考虑气枕与贮箱壁面有附着液体。气液界面区抽象为一层无质量的界面层,分别对气枕区和液氢区进行传热和传质。贮箱内流动速度小,暂不考虑该气液之间相对速度。控制方程 气枕控制体 对于气枕区域,通过质量守恒可得气枕质量变化率为式():()式中,为气枕质量,为界面气化质量流量,为液体质量,为液相区气化质量流量,为气枕区冷凝液质量流量。气枕质量为式():()通过能量守恒,可得温度变化率为式():第 期 朱洪来,等 基于分区模型的液氢贮箱地面温度与压力分布研究()式中,为气枕温度,其为贮箱高度和时间的函数,为环境对气枕区的热流密度,为气枕区对界面的热流密度,为气枕区压力,为气枕体积,为饱和气体焓
7、,为气枕区定容比热。气枕温度为式():()根据理想气体状态方程可知气枕各参数关系为式():()气液界面控制体 气液界面温度 可以通过修正 方程得式():()式中,参数随温度变化,可以通过液氢参数表查取。气液界面气化或冷凝质量可通过等能量阶跃条件求得,如式()所示。(,)(,)()式中,为界面对液相区的热流密度,和分别为气氢和液氢的焓值。(,)和(,)分别为气氢和液氢在界面温度和气枕压力下的焓值。液氢控制体 对于液氢区域,通过质量守恒可得式():()液氢质量的初始条件为式():()通过能量守恒可得式():()式中,为液体温度,为环境对液体区的热流密度,为液体焓,为液氢区定压比热。液体温度的初始条
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