低溫貯箱在軌壓增數(shù)值研究

1、低溫貯箱在軌壓增數(shù)值研究劉展，厲彥忠，王磊，趙志翔，晉永華(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安710()49)摘耍：本文首先采用基于vof模型的cfd方法獲得微重力下氣液界面的分布特征，然后采用lump-vapor模 型對(duì)液氫貯箱的氣相區(qū)和液相區(qū)分別求解，并采用udf用戶程序考慮氣液相變熱質(zhì)交換，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)液 氫貯箱壓增過程的快速預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果表明，在微重力下，表面張力作丿ij凸現(xiàn)，氣液界面形狀在7200s后 基本達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)于本文計(jì)算工況,在6.5w/m2的空間漏熱熱流下,經(jīng)過4天的在軌運(yùn)行，氣液相界面溫 升約4.87k；壓增速率約為70.75kpa/xo在保證一定精度的前提下，采用lu

2、mp-vapor模型不僅較好地預(yù) 測(cè)了箱體壓增特性和物理場分布規(guī)律，而且還顯著提高了運(yùn)行效率，節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間。關(guān)鍵詞：體火箭；增壓過程；低溫液氫貯箱:lump-vapor模型;數(shù)值模擬 中圖分類號(hào)：v511+.6numerical simulation of pressurization process in liquidhydrogen tank in-orbitliu zhan, li yanzhong, wang lei, zhao zhixiang, jin yonghua(school of energy cmd power engineering,xi'an jiaoto

3、ng university,xi'an 710049)abstract: nterface distribution in microgravity could be easily obtained based on vof model of cfd. and ullage zone and liquid zone of hydrogen tank were computing separately with lumpvapor model. with the udf considering the heat and mass transfer happened in gas-liqu

4、id interface, pressurization process of hydrogen tank could be predicted quickly. the simulation results indicted that the gas-liquid interface shape achieved stability in 7200 seconds under the cooperation of microgravity and surface tension. after 4 days in orbit, the temperature of interface incr

5、eased 4.87k, and the pressurization rate was about 70.75kpa per day with the constant space heat leakage flux of 6.5w/m2. in the premise of certain precision, the lump-vapor model can not only better predict the tank pressure characteristics and physical distribution, but also safe more computing ti

6、me, significantly improve operation efficiency key words: liquid rocket; pressurization process; lump-vapor model; cryogenic hydrogen tank; numerical simulation0引言低溫液體火箭燃料箱體在軌運(yùn)行期間，將受到各空間外熱流的影響丿嗎環(huán)境漏熱長時(shí) 間作用在低溫貯箱時(shí)，將導(dǎo)致低溫燃料的大量蒸發(fā),造成箱內(nèi)壓力的升窩，給其在軌運(yùn)行帶 來安全隱患。因此，研究低溫貯箱在軌壓增規(guī)律對(duì)其安全運(yùn)行意義重大。目前，已有很多學(xué)者對(duì)低溫貯箱在軌壓增過程開展了數(shù)值研

7、究。kartuzova等人采用 vof模型與尖銳界面方法合理處理氣液界面的控制方程對(duì)在軌期間低溫貯箱的壓增過程進(jìn) 行了數(shù)值模擬。對(duì)比表明vof模型具有更好的預(yù)測(cè)性能。barsi等人采用lump-vapor模 型對(duì)未來探月計(jì)劃中的液氧、液態(tài)甲烷貯箱在軌壓增過程進(jìn)行了數(shù)值研究。panzarella等人 冋采用lump-vapor模型對(duì)微重力下，大型球形低溫燃料儲(chǔ)罐進(jìn)行了自增壓數(shù)值模擬。為研 究低溫燃料的充灌率、外部漏熱率及其熱最分布對(duì)箱體圧增的影響，文獻(xiàn)通過開展地面模 化試驗(yàn)對(duì)箱體壓增影響因素進(jìn)行了研究。通過與lump-vapor模型數(shù)值預(yù)測(cè)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng) 外部漏熱直接作用丁低溫液和時(shí)，預(yù)測(cè)值與實(shí)

8、驗(yàn)值吻合較好；而當(dāng)將外部漏熱ii接作用于氣 基金項(xiàng)ii：教冇部高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（2010020110012）作者簡介：劉展（1988j ,男.博士生.主耍研究方向：從事低溫燃料在軌安全貯存通信聯(lián)系人：厲彥忠（1958）,男，教授。主耍研究方向：低溫燃料流動(dòng)傳熱.e-mail: yzli-epe 枕區(qū)時(shí)，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值偏差較人。文獻(xiàn)考慮了氣枕傳輸效應(yīng)在預(yù)測(cè)貯箱壓增過程中的影 響，提出主動(dòng)氣液模型。在計(jì)算過程中認(rèn)為氣液兩相均不可壓縮，通過積分獲得氣液界面 的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，成功預(yù)測(cè)了低溫貯箱壓增過程。文獻(xiàn)研究了微重力下，采用噴射裝置對(duì)消除 大型低溫貯箱熱分層，降低貯箱壓力的數(shù)值研究。預(yù)測(cè)結(jié)果表

9、明增大噴射速度可較好的降低 貯箱壓力，實(shí)現(xiàn)其安全運(yùn)行。綜上可知，h前有關(guān)低溫貯箱在軌壓增過程的研究主要是采用vof模型及l(fā)ump-vapor 模型進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)。由于lump-vapor模型通過對(duì)低溫貯箱的氣和區(qū)和液相區(qū)分別求解，采 用udf考慮氣液相變熱質(zhì)交換，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫貯箱壓增過程的快速預(yù)測(cè)，與vof模型相 比節(jié)省了大量計(jì)算時(shí)間。因此木文將采用該模型対低溫氫箱在軌運(yùn)行期間的增壓規(guī)律進(jìn)行數(shù) 值預(yù)示，相關(guān)預(yù)測(cè)結(jié)果在一定范圍內(nèi)可反映貯箱在軌壓增趨勢(shì)。1研究內(nèi)容木文以低溫液氫貯箱（圖1所示）為例，對(duì)其展開數(shù)值研究。箱體各尺寸大小以及初始 增壓參數(shù)如表1所示。表中所列熱流為低溫末級(jí)在軌運(yùn)行期間所接

10、受太陽宜射輻射、地球反 照輻射、地球紅外輻射等空間輻射外熱流,在漏熱趨于穩(wěn)定后所達(dá)到的相對(duì)平均漏熱熱流。 本文在特定的工程需求下，對(duì)充灌率為65%的低溫氫箱,采川工程算法讓算所得其平均空 間輻射漏熱熱流約6.5w/e2,具體計(jì)算過程町參考文獻(xiàn)。由于受空間環(huán)境的影響，重力加 速度取10毎。圖1低溫液氫貯箱結(jié)構(gòu)示意圖fig. 1 schematic diagram of liquid hydrogen tank表1液氫箱體各尺寸參數(shù)以及初始增壓參數(shù)tab 1 dimension parametersand initial pressurization parameters of liquid hy

11、drogen tank直徑長度壁厚充灌率初始?jí)毫σ合鄿囟葻崃鱠/mh/m/mm/%/；n/mpati/k.q! (w/m2 )8.55.324650.101321.56.52物理模型與數(shù)值方法由于低溫貯箱僅在軌運(yùn)行4天，壁血漏熱造成的液和蒸發(fā)量和對(duì)于整個(gè)貯箱內(nèi)的液和總 量所占比例很小，所造成的液和休積變化也可忽略不計(jì)。因此在cfd模擬過程屮，可以認(rèn) 為氣液z間具冇嚴(yán)格的分界面，且不隨吋間改變。通過求解液和區(qū)的完整控制方程，獲得氣 液相界血的換熱量，將此換熱條件帶入求解氣枕壓力的關(guān)系式從而確定氣枕壓力的大小，并 根據(jù)飽和狀態(tài)壓力與溫度的關(guān)系式確定氣枕壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度。通過cfd模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)液氮 貯

12、箱壓増過程的快速預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)均給出了貯箱壓力變化關(guān)系式。經(jīng)過簡單推導(dǎo)可得其物 理模型如下：f（p）= 一涮i h ）i-i（2）vrts pl - p» pv pt上式中：qv :與氣枕接觸的壁面漏熱量；qn :液相傳給液面的總熱量；l :氣化潛熱；v :氣枕容積；cv :定容比容；ts :氣相飽和溫度；m :氣和摩爾質(zhì)量；r :通用氣體常數(shù)；pl :液相密度，pv :氣相密度，p :氣枕壓力。山式（1）、（2）可知，只要確定了與氣枕接觸的壁而傳入氣枕的熱量q'及相界面與液相的換熱量 q"，即可確定氣枕壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系，并可根據(jù)式（12）進(jìn)一步確定氣 枕區(qū)的溫度，

13、此溫度也等于氣液和界血溫度。將上述數(shù)學(xué)模型通過用戶自定義程序植入cfd 模型即可解決液相熱分層對(duì)于氣枕壓力變化規(guī)律的影響。3計(jì)算結(jié)果及分析由于本文所選模擬方法對(duì)氣液和是分別求解的，此處先采用基于vof模型的cfd軟件 確尬貯箱在軌滑行期間的氣液相對(duì)位置，然后據(jù)此建立新的適用于lump-vapor模型求解的 網(wǎng)格。本文采用二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型進(jìn)行求解，網(wǎng)格總數(shù)為710（）,計(jì)算時(shí)間步長為o.olso圖2展示了箱內(nèi)氣液相對(duì)位于隨時(shí)間變化關(guān)系。圖中紅色區(qū)域農(nóng)示氣枕，藍(lán)色區(qū)域 表示液相?？梢钥闯觯趌（）-6g的微重力下，隨著時(shí)間的增加，表面張力的作用開始凸顯， 液和貼著壁面上爬，大約在7200s

14、時(shí)，氣液相對(duì)位置才達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。在此后的在軌運(yùn)行時(shí) 間內(nèi)，氣液界面將不再發(fā)生大的改變，圖2屮給出的32400s時(shí)的氣液相對(duì)位置圖基木反映 了整個(gè)在軌過程最終的氣液相對(duì)位置，即氣液界面呈彎曲狀，位于貯箱頂部，液相位于氣枕 下面，并呈包裹氣枕之勢(shì)。圖3展示了基于lump-vapor模型cfd所采用的計(jì)算網(wǎng)格。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，所采用的描述 液氫貯箱液和區(qū)域的cfd網(wǎng)格與微重力條件下液相所占空間基本吻合，從而保證了 cfd計(jì) 算結(jié)果能夠反映真實(shí)情況。os300s600s900s1800s3600s7200s32400s圖2 vof模型相分布圖fig. 2 phase distribution diagram

15、 of vof model圖3 lump-vapor模型計(jì)算網(wǎng)格fig. 3 computational grids of lumpvapor model通過編寫用戶白定義程序作為圖3所示cfd計(jì)算網(wǎng)格的外邊界條件，較好地求解了箱 體液相區(qū)溫度分布以及氣液界而的溫度變化規(guī)律、壓力增加變化趨勢(shì)。圖4展示了不同時(shí)刻液相溫度場分布圖。從中容易看出，隨著時(shí)間的增加，液相溫度逐 漸升鬲。尤英是在靠近氣枕區(qū)液相的最高點(diǎn)處，市于此處液體同時(shí)受到壁面漏熱與氣枕加熱 的影響，溫度升高最快。另外，雖然在軌運(yùn)行期間，貯箱所受重力僅有地血重力的10-6倍， 但白然對(duì)流效應(yīng)依然顯苦，浮力驅(qū)動(dòng)熱流體往巫力相反的方向移動(dòng)，

16、液相區(qū)溫度分層明顯。 為了便于比較，圖4中所顯示的溫度區(qū)域均為21.525.5k,但這一設(shè)定，限制了一段時(shí)間 后貯箱頂端的溫度顯示。從圖4屮后兩幅圖可以看出，隨看時(shí)間的持續(xù)，貯箱頂端的溫度己 經(jīng)超過了 25.5k。此處需耍說明的是，由于氣枕區(qū)頂部直接從壁面接受漏熱，使得氣枕溫升 速率高于液相區(qū)溫升速率，因此在相界面處，熱量一立由氣相傳遞至液相。12h36h60h96h圖4不同時(shí)刻液相溫度分布fig. 4 liquid phase temperature distribution at different time液氮貯箱在軌滑行期間的口增壓規(guī)律的數(shù)值預(yù)示分別如圖57所示。圖5展示了氣液和 界面

17、溫度隨吋間變化川1線。從屮可以看出，在整個(gè)在軌期間，受外部漏熱熱流以及氣枕加熱 的影響，氣液界血溫度始終在上升，由最初的21.5k升高到26.37k,氣液界面溫升4.87k。圖6展示了貯箱氣枕壓力在軌期間隨時(shí)間的變化illi線?？梢钥闯?，經(jīng)過4天的在軌運(yùn)行, 貯箱壓力由最初的0.1394mpa升高到().4224mpa,所對(duì)應(yīng)的貯箱壓增速率約為7().75kpa/天。 該結(jié)果表明，即使在外部漏熱僅冇6.5w/e時(shí)，貯箱內(nèi)部壓增速率依然很大，應(yīng)引起足夠重 視。當(dāng)終了時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的氣枕壓力超過低溫貯箱的最高承壓時(shí)，就需要采取排氣或者噴射裝 置混合的方式來降低箱內(nèi)壓力，消除氣枕以及液相區(qū)溫度分層。圖5

18、氣液界面溫度隨時(shí)間變化illi線 fig. 5 gas-liquid interface temperature history0.10 i11111111101224364860728496108t/hr圖6低溫燃料貯箱壓力隨時(shí)間變化曲線150fig. 6 cryogenic fuel tank pressure history圖7反映了液相平均溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)。從中容易看出，在軌運(yùn)行的4天內(nèi)，液相平均溫度近似線性增加，這也反映了箱體內(nèi)部流體溫度的不均勻性，液相區(qū)存在明顯的熱分展。155圖7液相平均溫度隨時(shí)間變化曲線fig. 7 average temperature of liquid

19、phase history4結(jié)論木文通過釆用lump-vapor模型對(duì)低溫氫箱氣液界面達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定情況下的液相區(qū)以及 氣枕區(qū)分別求解，在較好地預(yù)測(cè)了在軌期間低溫氫箱h增壓過程的溫度分布規(guī)律以及壓增趨 160 勢(shì)的同時(shí)，還顯著提高了運(yùn)行效率，節(jié)省大量計(jì)算工作時(shí)間。對(duì)于本文所計(jì)算工況，在軌運(yùn) 行4天，氣液界血溫升約為4.87k,貯箱壓增速率為70.75kpa/天。和關(guān)計(jì)算模型也可對(duì)今后 預(yù)測(cè)低溫箱體在軌壓増過程提供參考價(jià)值。致謝（可選）本文受教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金的資助（基金號(hào):2010020110012） o165 參考文獻(xiàn)（references）1閔桂榮.衛(wèi)星熱控制技術(shù)m.北京:中國宇航出版社,1991.21 kartuzova o,kassemi m.modeling interfacial turbulent heat transfer during ventless pressurization of a large scale cryogenic storage tank in microgravi