低温贮箱在轨压增数值研究

1、低温贮箱在轨压增数值研究刘展，厉彦忠，王磊，赵志翔，晋永华(西安交通大学能源与动力工程学院，西安710()49)摘耍：本文首先采用基于vof模型的cfd方法获得微重力下气液界面的分布特征，然后采用lump-vapor模 型对液氢贮箱的气相区和液相区分别求解，并采用udf用户程序考虑气液相变热质交换，从而实现了对液 氢贮箱压增过程的快速预测。模拟结果表明，在微重力下，表面张力作丿ij凸现，气液界面形状在7200s后 基本达到稳定。对于本文计算工况,在6.5w/m2的空间漏热热流下,经过4天的在轨运行，气液相界面温 升约4.87k；压增速率约为70.75kpa/xo在保证一定精度的前提下，采用lu

2、mp-vapor模型不仅较好地预 测了箱体压增特性和物理场分布规律，而且还显著提高了运行效率，节省大量计算时间。关键词：体火箭；增压过程；低温液氢贮箱:lump-vapor模型;数值模拟 中图分类号：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引言低温液体火箭燃料箱体在轨运行期间，将受到各空间外热流的影响丿吗环境漏热长时 间作用在低温贮箱时，将导致低温燃料的大量蒸发,造成箱内压力的升窩，给其在轨运行带 来安全隐患。因此，研究低温贮箱在轨压增规律对其安全运行意义重大。目前，已有很多学者对低温贮箱在轨压增过程开展了数值研

7、究。kartuzova等人采用 vof模型与尖锐界面方法合理处理气液界面的控制方程对在轨期间低温贮箱的压增过程进 行了数值模拟。对比表明vof模型具有更好的预测性能。barsi等人采用lump-vapor模 型对未來探月计划中的液氧、液态甲烷贮箱在轨压增过程进行了数值研究。panzarella等人 冋采用lump-vapor模型对微重力下，大型球形低温燃料储罐进行了自增压数值模拟。为研 究低温燃料的充灌率、外部漏热率及其热最分布对箱体圧增的影响，文献通过开展地面模 化试验对箱体压增影响因素进行了研究。通过与lump-vapor模型数值预测值对比发现，当 外部漏热直接作用丁低温液和时，预测值与实

8、验值吻合较好；而当将外部漏热ii接作用于气 基金项ii：教冇部高等学校博士点专项科研基金（2010020110012）作者简介：刘展（1988j ,男.博士生.主耍研究方向：从事低温燃料在轨安全贮存通信联系人：厉彦忠（1958）,男，教授。主耍研究方向：低温燃料流动传热.e-mail: yzli-epe 枕区时，预测值与实验值偏差较人。文献考虑了气枕传输效应在预测贮箱压增过程中的影 响，提出主动气液模型。在计算过程中认为气液两相均不可压缩，通过积分获得气液界面 的质量转移，成功预测了低温贮箱压增过程。文献研究了微重力下，采用喷射装置对消除 大型低温贮箱热分层，降低贮箱压力的数值研究。预测结果表

9、明增大喷射速度可较好的降低 贮箱压力，实现其安全运行。综上可知，h前有关低温贮箱在轨压增过程的研究主要是采用vof模型及lump-vapor 模型进行数值预测。由于lump-vapor模型通过对低温贮箱的气和区和液相区分別求解，采 用udf考虑气液相变热质交换，可以实现对低温贮箱压增过程的快速预测，与vof模型相 比节省了大量计算时间。因此木文将采用该模型対低温氢箱在轨运行期间的增压规律进行数 值预示，相关预测结果在一定范围内可反映贮箱在轨压增趋势。1研究内容木文以低温液氢贮箱（图1所示）为例，对其展开数值研究。箱体各尺寸大小以及初始 增压参数如表1所示。表中所列热流为低温末级在轨运行期间所接

10、受太阳宜射辐射、地球反 照辐射、地球红外辐射等空间辐射外热流,在漏热趋于稳定后所达到的相对平均漏热热流。 本文在特定的工程需求下，对充灌率为65%的低温氢箱,采川工程算法让算所得其平均空 间辐射漏热热流约6.5w/e2,具体计算过程町参考文献。由于受空间环境的影响，重力加 速度取10毎。图1低温液氢贮箱结构示意图fig. 1 schematic diagram of liquid hydrogen tank表1液氢箱体各尺寸参数以及初始增压参数tab 1 dimension parametersand initial pressurization parameters of liquid hy

11、drogen tank直径长度壁厚充灌率初始压力液相温度热流d/mh/m/mm/%/；n/mpati/k.q! (w/m2 )8.55.324650.101321.56.52物理模型与数值方法由于低温贮箱仅在轨运行4天，壁血漏热造成的液和蒸发量和对于整个贮箱内的液和总 量所占比例很小，所造成的液和休积变化也可忽略不计。因此在cfd模拟过程屮，可以认 为气液z间具冇严格的分界面，且不随吋间改变。通过求解液和区的完整控制方程，获得气 液相界血的换热量，将此换热条件带入求解气枕压力的关系式从而确定气枕压力的大小，并 根据饱和状态压力与温度的关系式确定气枕压力对应饱和温度。通过cfd模拟实现对液氮 贮

12、箱压増过程的快速预测。文献均给出了贮箱压力变化关系式。经过简单推导可得其物 理模型如下：f（p）= 一涮i h ）i-i（2）vrts pl - p» pv pt上式中：qv :与气枕接触的壁面漏热量；qn :液相传给液面的总热量；l :气化潜热；v :气枕容积；cv :定容比容；ts :气相饱和温度；m :气和摩尔质量；r :通用气体常数；pl :液相密度，pv :气相密度，p :气枕压力。山式（1）、（2）可知，只要确定了与气枕接触的壁而传入气枕的热量q'及相界面与液相的换热量 q"，即可确定气枕压力随时间的变化关系，并可根据式（12）进一步确定气 枕区的温度，

13、此温度也等于气液和界血温度。将上述数学模型通过用户自定义程序植入cfd 模型即可解决液相热分层对于气枕压力变化规律的影响。3计算结果及分析由于本文所选模拟方法对气液和是分别求解的，此处先采用基于vof模型的cfd软件 确尬贮箱在轨滑行期间的气液相对位置，然后据此建立新的适用于lump-vapor模型求解的 网格。本文采用二维轴对称结构化网格模型进行求解，网格总数为710（）,计算时间步长为o.olso图2展示了箱内气液相对位于随时间变化关系。图中红色区域农示气枕，蓝色区域 表示液相。可以看出，在l（）-6g的微重力下，随着时间的增加，表面张力的作用开始凸显， 液和贴着壁面上爬，大约在7200s

14、时，气液相对位置才达到相对稳定。在此后的在轨运行时 间内，气液界面将不再发生大的改变，图2屮给出的32400s时的气液相对位置图基木反映 了整个在轨过程最终的气液相对位置，即气液界面呈弯曲状，位于贮箱顶部，液相位于气枕 下面，并呈包裹气枕之势。图3展示了基于lump-vapor模型cfd所采用的计算网格。对比发现，所采用的描述 液氢贮箱液和区域的cfd网格与微重力条件下液相所占空间基本吻合，从而保证了 cfd计 算结果能够反映真实情况。os300s600s900s1800s3600s7200s32400s图2 vof模型相分布图fig. 2 phase distribution diagram

15、 of vof model图3 lump-vapor模型计算网格fig. 3 computational grids of lumpvapor model通过编写用户白定义程序作为图3所示cfd计算网格的外边界条件，较好地求解了箱 体液相区温度分布以及气液界而的温度变化规律、压力增加变化趋势。图4展示了不同时刻液相温度场分布图。从中容易看出，随着时间的增加，液相温度逐 渐升鬲。尤英是在靠近气枕区液相的最高点处，市于此处液体同时受到壁面漏热与气枕加热 的影响，温度升高最快。另外，虽然在轨运行期间，贮箱所受重力仅有地血重力的10-6倍， 但白然对流效应依然显苦，浮力驱动热流体往巫力相反的方向移动，

16、液相区温度分层明显。 为了便于比较，图4中所显示的温度区域均为21.525.5k,但这一设定，限制了一段时间 后贮箱顶端的温度显示。从图4屮后两幅图可以看出，随看时间的持续，贮箱顶端的温度己 经超过了 25.5k。此处需耍说明的是，由于气枕区顶部直接从壁面接受漏热，使得气枕温升 速率高于液相区温升速率，因此在相界面处，热量一立由气相传递至液相。12h36h60h96h图4不同时刻液相温度分布fig. 4 liquid phase temperature distribution at different time液氮贮箱在轨滑行期间的口增压规律的数值预示分别如图57所示。图5展示了气液和 界面

17、温度随吋间变化川1线。从屮可以看出，在整个在轨期间，受外部漏热热流以及气枕加热 的影响，气液界血温度始终在上升，由最初的21.5k升高到26.37k,气液界面温升4.87k。图6展示了贮箱气枕压力在轨期间随时间的变化illi线。可以看出，经过4天的在轨运行, 贮箱压力由最初的0.1394mpa升高到().4224mpa,所对应的贮箱压增速率约为7().75kpa/天。 该结果表明，即使在外部漏热仅冇6.5w/e时，贮箱内部压增速率依然很大，应引起足够重 视。当终了时刻所对应的气枕压力超过低温贮箱的最高承压时，就需要采取排气或者喷射装 置混合的方式来降低箱内压力，消除气枕以及液相区温度分层。图5

18、气液界面温度随时间变化illi线 fig. 5 gas-liquid interface temperature history0.10 i11111111101224364860728496108t/hr图6低温燃料贮箱压力随时间变化曲线150fig. 6 cryogenic fuel tank pressure history图7反映了液相平均温度随时间变化趋势。从中容易看出，在轨运行的4天内，液相平均温度近似线性增加，这也反映了箱体内部流体温度的不均匀性，液相区存在明显的热分展。155图7液相平均温度随时间变化曲线fig. 7 average temperature of liquid

19、phase history4结论木文通过釆用lump-vapor模型对低温氢箱气液界面达到相对稳定情况下的液相区以及 气枕区分别求解，在较好地预测了在轨期间低温氢箱h增压过程的温度分布规律以及压增趋 160 势的同时，还显著提高了运行效率，节省大量计算工作时间。对于本文所计算工况，在轨运 行4天，气液界血温升约为4.87k,贮箱压增速率为70.75kpa/天。和关计算模型也可对今后 预测低温箱体在轨压増过程提供参考价值。致谢（可选）本文受教育部高等学校博士点专项科研基金的资助（基金号:2010020110012） o165 参考文献（references）1闵桂荣.卫星热控制技术m.北京:中国宇航出版社,1991.21 kartuzova o,kassemi m.modeling interfacial turbulent heat transfer during ventless pressurization of a large scale cryogenic storage tank in microgravi