低温贮箱在轨压增数值研究

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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

2、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Lump-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+.6Numericalsimulationofpressurizationprocessinliquidhydrogentankin-orbitLIUZhan,LIYanzhong,WANGLei,ZHAO

3、Zhixiang,JINYonghua(SchoolofEnergycmdPowerEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049)Abstract:nterfacedistributioninmicrogravitycouldbeeasilyobtainedbasedonVOFmodelofCFD.AndullagezoneandliquidzoneofhydrogentankwerecomputingseparatelywithLump・Vapo

4、rmodel.WiththeUDFconsideringtheheatandmasstransferhappenedingas-liquidinterface,pressurizationprocessofhydrogentankcouldbepredictedquickly.Thesimulationresultsindictedthatthegas-liquidinterfaceshapeachievedstabilityin7200secondsunderthecooperationofmi

5、crogravityandsurfacetension.After4daysinorbit,thetemperatureofinterfaceincreased4.87K,andthepressurizationratewasabout70.75kPaperdaywiththeconstantspaceheatleakagefluxof6.5W/m2.Inthepremiseofcertainprecision,theLump-Vapormodelcannotonlybetterpredictth

6、etankpressurecharacteristicsandphysicaldistribution,butalsosafemorecomputingtime,significantlyimproveoperationefficiency・Keywords:liquidrocket;pressurizationprocess;Lump-Vapormodel;cryogenichydrogentank;numericalsimulation0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

7、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究。Kartuzova等人⑵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⑶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。Panzar

8、ella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⑸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