基于分区模型的液氢贮箱地面温度与压力分布研究

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3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Fluent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。

液氢贮箱零蒸发数值模拟与分析

采用CFD技术,对处于微重力下的零蒸发(ZBO)液氢贮箱内采用喷嘴棒强迫混合的流场进行稳态数值模拟,建立了二维轴对称模型,预测了在不同几何参数下贮箱内温度场及速度场分布情况。研究表明,喷嘴棒伸入贮箱长度、入口直径等因素均会对系统内温度场产生影响。贮箱内平均温度和最大温度随喷嘴棒长度和入口直径的增大而减小,而喷口直径对贮箱内温度场影响不明显。由上述可以看出,通过增大入口直径、选择合适的喷嘴棒伸入长度,可以改善系统性能。

液氢贮箱微重力喷射降压特性数值模拟研究

为研究在轨环境下,热力学排气系统对低温推进剂贮箱的控压性能,采用CFD方法对微重力条件下液氢贮箱内过冷液体喷射过程开展数值模拟研究,对比计算不同喷射区域、喷射流量、喷射速度等因素对箱内物理场分布与压力变化的影响。计算结果表明,低流量流速下,气相区喷射流体无法形成射流,将在喷口处堆积成液团并逐渐积累,降压效果较弱;而液相区喷射几乎没有降压效果。随着流量流速增大,喷射降压效果均有提升。低流量时,气-液相区喷射可以认为是气、液相区单独喷射的叠加,随着流量流速增大,射流对于气、液相区扰动具有交互影响,不再具有叠加性。整体来看,气-液相区喷射降压性能优于单独区域喷射,液相区喷射降压效果最弱。

液氢贮箱热力学排气系统建模及控压特性

以低温推进剂液氢贮箱压力控制为目标,建立了热力学排气系统(TVS)和贮箱内流体流动及气液相变过程的数学模型。以18.09m^3液氢贮箱在地面工况充注率75%、漏热量0.76 W·m^(-2)为例,计算了贮箱自增压过程及开启TVS后对贮箱压力控制的效果。结果表明,气枕升压速率远大于液体温度对应的饱和压力的升压速率;TVS运行后可将贮箱压力有效地控制在165.5~172.4kPa范围内。对比了混合与排气两种不同运行模式下贮箱气枕的升降压特性,发现排气模式下的气枕降压速率为混合模式的7倍,升压速率为混合模式的95%。同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律。

飞行器用液氢贮箱低温推进剂晃动热力学响应分析

研究飞行器低温推进剂贮箱内流体晃动的热力耦合特性,采用计算流体力学(CFD)技术仿真不同工况对液氢贮箱内低温推进剂晃动热力学的影响。考虑外部环境漏热和气液界面相变对贮箱气枕压力的影响,并通过用户自定义函数(UDF)将外部晃动激励施加于罐壁作为动量边界,利用VOF法捕捉气液相界面波动。结果表明:晃动激励越大,气枕空间压降越大,晃动激励为0 m/s、0.11 m/s、0.22 m/s、0.44 m/s时的气枕最大压降分别是2 Pa、120.3 Pa、6084.5 Pa、9158.3 Pa;气枕压降随初始液体温度的降低而增大,初始液体温度为20.0 K、21.0 K、21.5 K时的气枕压降时为6079 Pa、5248 Pa、3902 Pa;初始充满率越高,气枕压降越大,充满率为30%、40%、50%、60%、70%时气枕压降分别是1905 Pa、3758 Pa、6085 Pa、6476 Pa、8339 Pa。流体晃动扰动了液氢贮箱内气液界面处的热力学平衡,导致气枕压力大幅降低,为保证飞行器的稳定运行需采取合理的增压或防晃措施来维持贮箱气枕压力。

短壳绝热面积对液氢贮箱绝热性能影响

基于计算流体动力学(CFD)方法研究了典型5 m直径液氢贮箱在短壳未包裹绝热材料、50%面积及100%面积包裹绝热材料3种情况下对贮箱内液氢蒸发特性的影响。数值计算基于流体体积(VOF)模型计算两相流,基于Lee模型计算气液界面传质率,考虑了短壳包裹泡沫表面及未包裹泡沫的暴露表面结霜对漏热的影响,构建的数值模型及界面传质计算具有清晰的气液界面,准确地捕捉到了液氢液面的变化。结果表明:短壳是液氢贮箱漏热的主要因素,对液氢蒸发率影响起重要作用;相对于短壳未绝热,50%绝热使得液氢贮箱气相平均温度从110 K下降到32 K,绝热面积占比增加到100%时,气相平均温度下降到约23 K,绝热改善效果相对降低;比较短壳绝热面积占比从50%增加到100%与从0增加到50%对相对蒸发率影响,前者差异较小,仅降低2.4%,而后者差异明显,下降了40.9%。研究结果指导了液氢贮箱绝热结构的优化设计。

低温流体微重力池沸腾气泡脱落特性研究

研究微重力下的气泡动力学行为及其脱落特性是揭示微重力下流体沸腾换热机理的基础,而气泡处于空间复合弱力环境下,表现出不同于常规的特殊现象。以微重力下平板加热面上氢沸腾气泡为对象,展开了受力分析,考虑到Marangoni效应的影响,构建了受力平衡模型,进一步计算并分析了不同重力、压力、流体过冷度、壁面过热度下的气泡脱落直径。研究结果表明,当重力降低至某一临界值后,沸腾气泡存在3个不同尺度的脱落直径,且重力水平越低,气泡最大脱落尺寸越大,直径最大可达几十厘米。在常重力下,沸腾气泡仅存在0.01~0.1mm量级的脱落直径,压力对常重力与微重力下气泡脱落直径的影响差异显著,随着压力的升高,常重力气泡脱落直径不断减小,而微重力下最大气泡脱落直径有所增大;在微重力下,流体温度越低则过冷度越大,因此气泡最大脱落直径也越大,液氢过冷度每提高1K,最大气泡脱落直径增大约10%。当重力一定时,存在临界壁面过热度,且只有当壁面过热度超过该临界值时,沸腾气泡才会存在3个脱落直径。当压力越高、流体温度越低时,该临界过热度越小。