液化天然气储罐预冷过程温度场数值模拟

建立了液化天然气(LNG)储罐喷淋预冷过程的流动传热与传质模型,对储罐内热物理场和储罐壁面温度的变化进行探讨。分析表明,喷淋进入储罐的LNG液滴并不能完全覆盖整个储罐,液滴进入储罐后,速度迅速衰减并转成垂直下落,同时液滴不断吸热汽化。预冷过程中,LNG的喷淋速度决定了储罐的冷却速度,温降最快的位置出现在储罐底部的中心区域,侧壁温降速度较慢。由于储罐的底部中心区域出现二次流动,阻碍了储罐底壁与内部低温气体的换热,同时由于混凝土对容器的导热,造成容器底部中心区域的温度不减反增的现象。

BOG气体对LNG输送管道预冷的数值模拟

针对DN1 000 mm的长距离LNG输送管道BOG(闪蒸气)预冷过程,建立一维流动传热模型,对预冷过程进行了模拟分析。整体壁面温度下降速率最大不超过10 K/h,计算时间步长取10s,计算得出761.2 m的LNG输运管道冷却到154.5 K(-118.65℃)左右所需时间为30.25 h。分析了整个预冷过程中,管道壁面温度,管内BOG气体温度和BOG气体进口质量流量的变化趋势,还分析了输运管道中管道变径处温度阶跃突变的现象和原因,同时分析不同因素对管道预冷过程的影响。从以上影响预冷过程的主要因素的分析得出整个预冷过程的规律。

有热管冷却的乏燃料池自然对流换热特性分析

将分离式热管作为长期非能动冷却系统应用于CAP1400乏燃料池,分离式热管的蒸发端布置在乏燃料池四周。本文运用数值模拟方法对具有热管冷却的乏燃料池内温度场和流场特性进行数值分析,并研究布置在池内的各排蒸发管管外对流换热强度。研究表明:当能动型冷却系统停止工作后,仅靠该非能动冷却系统可成功带走池内衰变热并保证池内不沸腾;内排蒸发管束外侧的对流换热系数高于外排蒸发管束,可达到外排管束的1.05倍,蒸发管上、下端的对流换热系数较大,中间段对流换热系数最小。研究结果对分离式热管运用于乏燃料池具有一定参考意义。

液氧贮箱增压过程中气枕空间温度场的数值模拟

液氧贮箱增压气体输送过程中,气枕空间的温度场会发生较大的变化,并且会引起相界面附近低温液体的温升。基于双膜阻理论建立热质交换模型,通过模拟贮箱内非稳态热流过程,分析气枕空间在增压气体输送过程中温度场的变化及其对于贮箱内低温液氧的影响。

R134a制冷剂在微通道中的相变传热特性实验

设计了一个可控制制冷剂流量、压力和温度等实验工况的微通道换热器相变流动与换热的可视化实验平台,对R134a制冷剂流经微通道换热器进行了冷凝换热实验研究。试验测量了小质量流率下的R134a制冷剂在多个饱和状态工况下的冷凝换热性能,涉及质量流量、进出口压力和温度等参数。实验分析了传热系数与雷诺数的关系,与Koyama的关联式预测比较接近。分析了摩擦系数随雷诺数的变化,与HL Mo和Wu&Little方程计算得到的数值相近。

低温推进剂在轨零蒸发贮存研究进展

采用低温制冷机与低温贮箱耦合的方式,可以实现低温推进剂在太空环境下的零蒸发贮存。从系统分析、机理研究及试验研究三个方面对低温推进剂零蒸发贮存技术的现状进行了综述,阐述了现有的系统分析方法、理论分析模型及零蒸发试验方案,可为低温推进剂空间贮存的发展提供参考。

基于低温制冷机的流体液化与凝固过程可视化装置

液化和凝固是流体系统工程中常见的两种基本现象。由于低温流体液化点和凝固点温度都非常低,给受控条件下观测流体的液化和凝固过程带来了困难。设计并搭建了基于G-M低温制冷机的流体受控液化和凝固过程可视化实验装置,并对氮气(44~80 K)、氩气(50~90 K)、氧气(50~90 K)3种低温流体的液化和凝固过程进行控制观测,获得了3种流体在一定温度下的相变过程的视频图像。实验结果表明,3种低温流体的凝固过程表现出较明显的固化行为特性差异。

基于双流体模型的液氢流动沸腾数值模拟

基于双流体模型,建立了液氢管内流动沸腾的数值模型,在液体Reynolds数67000~660000、壁面热通量16300~317800 W/m^(2)、饱和温度22~29 K、入口过冷度0~8 K的范围内,对管径5.95和6.35 mm的圆管内液氢流动沸腾开展了数值模拟研究,并与试验结果进行了对比。对比显示,液氢流动沸腾传热系数的模拟结果与试验数据的平均误差(MAE)为7.79%,94%的模拟数据都在±20%误差带范围内。

长期在轨运行低温液氧贮箱内汽化过程的模拟

通过CFD(computational fluid dynamics)方法对长期在轨运行的某型液氧贮箱内的压力、温度、气液相界面等参数进行了模拟研究。计算了该型贮箱在轨运行时的平均漏热量为6.84 W·m^(-2)。对贮箱进行了5天的模拟计算,结果表明,贮箱上部的气枕区并不稳定;液相区存在相对高速运动的气团,削弱了液相区的温度分层,使得液相区温度基本均匀。在轨储存过程中,液相温升速率为1.18K·d^(-1),压增速率为23.7kPa·d^(-1)。结合贮箱内气液相运动特点,建立均相模型,该模型与CFD模拟结果吻合较好,可以用来预测长期在轨运行的低温推进剂贮箱内的压力、蒸发量等参数变化。

空间变过载下液氢输送管内气泡动力学特性仿真研究

针对火箭发动机空间二次点火前上面级燃料系统必须将输送管内气泡排空的需求,以处于空间环境的液氢输送管为对象,借助CFD仿真手段研究了管内气泡的生成与分布规律,对比分析了小过载正推、小流量排放下管内两相流瞬态特性。研究表明:微重力下管内小气泡将合并,形成尺度与管径相近的大气泡;提供小过载正推后,大气泡可能破碎形成小气泡,并从管路顶端溢出;输送管内气泡完全排出时间与管内初始含气率关系不大,主要受过载水平的影响;存在临界过载加速度,当所加载的加速度小于该临界值,气泡无法排出;液体小流量排放时,管内气泡在液流惯性推动与冷凝湮灭两种机制下排出。

低流量下阵列式微通道对流沸腾特性实验研究

设计了阵列式微通道热沉结构,进行了并R134a的沸腾流动换热实验。结果证明,在低干度区域由泡状流/弹状流/半环状流主导,主导换热机理为对流沸腾和蒸发,热交换系数随热流密度显著增加,随质量流量增大而略有增加。在高干度区域搅拌流/束状流主导沸腾流动,对流蒸发为主导换热机理,换热系数随流量增大而增大。该结构可以在低流量下提前紊流转捩;有效抑制压力波动,减小进出口压力差。实验观察发现搅拌流/束状流型,气液界面波失稳导致液膜破碎和卷携。液滴沉积会润湿局部蒸干壁面。当热流持续增大,液膜破碎并大量被卷携入气核后,壁面附着气膜且无法被润湿,形成反束状流型时,触发CHF。

多孔网幕泡破压力预测模型的建立及实验验证

金属多孔网幕具有比表面积大、物理稳定性好等诸多优点,广泛应用于推进剂在轨气液分离及相变传热等领域。泡破压力是衡量其相分离性能的关键参数,可根据多孔介质的有效泡破孔径确定。然而多孔网幕的孔隙结构极其复杂,泡破孔径计算仍未有通用且高效的方法。建立了一种基于三维孔隙结构的多孔网幕泡破压力的通用型解析模型。该模型仅依赖于多孔网幕的几何结构参数,无须实验即可有效预测多孔网幕的泡破压力。模型预测结果与本文实验及文献实验中不同网幕规格、低温及常温工质数据吻合良好,平均误差仅为8%,表明该解析模型具有普适性和准确性,可为基于多孔网幕的液体获取装置的设计与性能预测提供参考。

低温输运管道预冷过程的气液两相数值分析

低温流体在输运管道中预冷时会出现复杂的气液两相流现象。本研究的数值仿真主要针对液氮在管道内沸腾过程中的传热特性、气泡的生成规律、临界热通量等进行分析。通过改变管道直径、入口液氮流量,讨论了不同时刻计算域内部的温度、热通量以及两相分布规律,最终得到研究范围内的临界热通量(CHF)特性。研究发现,流体温度突变时间随着管径的减小而提前,随着流量的增大而后延;壁面温度变化幅度随着管径的增大而增大;CHF值随着管径的减小而增加,随着入口流量的增加而减小。

液氢温区直接节流制冷新流程热力学分析

低温制冷机是液氢长期在轨零蒸发贮存的关键技术之一。节流制冷机无低温运动部件,具备系统简单和可连续制冷等优点。本文提出了液氢温区直接节流制冷新流程,拟采用回热式制冷机或者液氢储罐排气冷量为其提供32K以下的预冷量,有潜力实现快速降温和高效制冷。采用热力学方法对于给定液氢温区10W的制冷量要求,以等温压缩功为优化目标对该制冷机进行优化。分析得到了优化等温压缩功及其对应的优化高压压力和预冷量与预冷温度之间的变化关系。结果表明:当预冷温度低于32K时,直接节流制冷机在优化工况下运行时与典型节流制冷机性能接近,但其结构得到简化,稳定性高且制冷机降温初期无需旁通。

磁补偿微重力环境实现及磁流体微重力内角流动研究

由于表面张力的作用,流体在微重力环境中沿一定夹角的内角壁面爬升过程与常重力状态不同。为了对微重力内角流动的物理过程进行研究,利用磁补偿方法搭建了常温磁流体微重力补偿实验台,实现了目标区域内纵向小于5%非均匀度的磁补偿微重力环境。并对不同重力条件下水基磁流体沿若干材料内角爬升过程进行了可视化实验研究,探究了微重力环境下流体与材料间的接触角以及内角角度对液体导流性能的影响以及毛细流动规律。结果表明,在满足Concus-Finn条件时,液面爬升高度和重力加速度近似呈反比关系。接触角和内角角度越小,流体输运能力越强,且重力水平越低,越为明显。当不满足Concus-Finn条件时,液面爬升高度和重力加速度近似呈线性关系,接触角和内角角度对流体输运能力的影响并不明显。

液氦温区预冷型JT制冷机闭式循环实验研究

针对目前空间探测任务对高效可靠的液氦温区制冷技术的需求,介绍了自行研制的液氦温区JT制冷机测试系统及制冷机结构,采用带有进排气阀的单级线性压缩机驱动,由两级GM制冷机预冷,测试了JT制冷机在闭式循环条件下的制冷性能。结果表明,JT制冷机经5.5 h降温至液氦温区,无负荷制冷温度为4.4 K,在4.9 K获得87.98 mW的制冷量,驱动JT侧线性压缩机所耗电功41.6 W。并分析了制冷机闭式循环与开式实验中存在的差异,表明热负荷的改变会影响制冷机的运行状态。

过冷度对飞行器贮箱热力学排气系统性能的影响

为了研究低温推进剂贮箱的压力控制特性和热力学排气系统的运行特性,建立了耦合贮箱内流体流动相变过程与热力学排气系统(TVS)的数学模型,对TVS系统运行后贮箱的压力和温度变化进行了仿真计算。在以液氮为贮存工质的低温流体高效贮存平台上,进行了仿真模型的验证。分析了不同液体过冷度对低温贮箱温度和压力控制特性的影响。研究发现,在相同的在轨贮存周期内,对于饱和状态的液氢和液氧,TVS只有在排气模式下才能实现低温贮箱的压力控制,而对于过冷状态的液氢和液氧,TVS只需进行混合模式运行便可实现低温贮箱压力控制,且TVS混合运行时间随液体过冷度的增加而减少,16 K液氢时TVS的运行时间(546 s)相比于20 K液氢(663 s)减少了17.6%,78 K液氧时TVS的运行时间(2760 s)相比于90 K液氧(16469 s)减少了83.2%。过冷液体与气枕的混合可以实现低温流体在轨贮存过程中的零排放。

超临界氦增压与排放过程的压力温度特性

为了探讨超临界氦增压技术在中国运载火箭和航天器上实现的可行性,进行了超临界氦增压排放实验研究。分析了低温杜瓦内的超临界氦的热分层稳定性;讨论了温度计引线两端大温差引起热声振荡和漏热现象;此外,由于节流微分效应和换热器管壁轴向导热,换热器出口温度在排放过程出现大幅温度波动。实验结果证明超临界氦增压过程中增压压力平稳、可靠,压力容易控制。但后续改进实验中应消除换热器节流微分效应导致的出口温度波动,并且减小杜瓦以及支撑结构的漏热。

低温液氮管路预冷实验研究

针对液氮在内径为20 mm,长度为700 mm的不锈钢圆管预冷过程进行实验研究。观测管路预冷过程中沿程不同截面的温降特性,并讨论管路流向、液氮流量及入口压力等因素影响。实验发现,随着预冷进行,管路沿程的沸腾换热模式略有差异;管路下游存在膜态沸腾向过渡沸腾及核态沸腾的转变,上游则并不明显;相比于水平管路,倾斜管路上游的预冷时间更短,下游的预冷时间更长,壁面再润湿温度更高;增大管路入口液氮压力可以缩短预冷时长,一定程度减少液氮消耗量。

网幕通道式液体获取装置的入口速度分布特性研究

网幕通道式液体获取装置(LAD)能够在微重力条件下为航天发动机供给液体推进剂,是最有应用前景的低温推进剂液体管理技术之一。利用粒子图像测速技术(PIV)分析了LAD运行时工质(水和异丙醇)穿过网幕的入口速度分布特性。结果表明,工质穿过网幕的入口速度沿平行于通道内流动的方向逐渐增大,在靠近出口处达到最大值。根据分析结果建立了LAD稳态运行时的数值计算模型,采用多孔阶跃模型描述液体穿过网幕时的流动过程,并进行了实验验证。基于该模型仿真分析了液氧、液氢、液氮以及液态甲烷等低温流体的速度分布特性。在相同的运行条件下,液氧、液氢、液氮和液态甲烷入口速度的综合不均匀度分别为72.3%、67.7%、65.7%和55.1%。其入口流速的不均匀度主要受低温流体黏度和密度影响。考虑速度分布的影响,计算了不同流体的临界流量。液氧的临界质量流量最大,其次是液态甲烷和液氮,液氢的临界质量流量最小,仅为液氧的7.1%。本文为网幕通道式液体获取装置的设计和性能预测提供了参考。