王麗紅,冶文蓮,王田剛

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州730000)

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基于ZBO技術(shù)的空間低溫貯箱強(qiáng)化換熱數(shù)值模擬研究

王麗紅,冶文蓮,王田剛

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州730000)

摘要：針對(duì)載人航天和深空探測(cè)對(duì)低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌存儲(chǔ)技術(shù)的研究需求，提出了一種基于主動(dòng)制冷技術(shù)和流體混合技術(shù)的ZBO新型空間低溫貯箱，建立了微重力下低溫存儲(chǔ)系統(tǒng)的3D模型，對(duì)六種采用不同換熱結(jié)構(gòu)低溫貯箱的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和研究。通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)熱管位置和混合泵以及冷頭的傳輸效率是影響低溫貯箱性能的主要因素，低溫貯箱結(jié)構(gòu)采用單混合泵側(cè)噴和低溫?zé)峁芗迎h(huán)肋時(shí)最高溫度最低，溫差最小，具有較好的冷卻效果。模擬結(jié)果有助于提高低溫存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能，為空間低溫貯箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微重力；低溫貯箱；ZBO；熱管；混合泵

1 引言

低溫推進(jìn)劑如液氫、液氧和液態(tài)甲烷等具有比沖高、清潔、無(wú)毒無(wú)污染的特點(diǎn),在航天中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是由于低溫推進(jìn)劑的飽和溫度相對(duì)較低,易于受熱蒸發(fā),并且微重力下低溫貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑處于氣液兩相流狀態(tài),存在熱分層,使其長(zhǎng)期存儲(chǔ)不易于實(shí)現(xiàn)［1］。為了實(shí)現(xiàn)低溫推進(jìn)劑的長(zhǎng)期在軌存儲(chǔ)并提高其貯運(yùn)安全性,NASA提出了低溫推進(jìn)劑零蒸發(fā)損耗(Zero Boil-off,簡(jiǎn)稱(chēng)ZBO)技術(shù)［2-4］,該技術(shù)將主動(dòng)制冷技術(shù)和被動(dòng)多層絕熱技術(shù)相互配套來(lái)實(shí)現(xiàn)貯箱壓力控制而不需要排氣,用耦合于低溫制冷機(jī)的熱交換器從貯箱內(nèi)移出漏入貯箱的熱量以及貯箱中的寄生熱,最后這些熱量通過(guò)輻射器輻射到外界空間環(huán)境中。該技術(shù)可以大大提高貯運(yùn)效率和安全性,所以成為近年來(lái)低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌存儲(chǔ)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

針對(duì)載人航天和深空探測(cè)對(duì)低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌存儲(chǔ)技術(shù)的研究需求,本文提出了一種基于ZBO技術(shù)的新型空間低溫貯箱,建立了帶有混合泵和熱管結(jié)構(gòu)的低溫貯箱物理模型,獲得了六種不同強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等數(shù)據(jù),并對(duì)各種結(jié)構(gòu)的冷卻效果進(jìn)行了對(duì)比,獲得了冷卻效果最好的低溫貯箱結(jié)構(gòu)。

2 物理模型

空間低溫貯箱的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)如圖1所示。低溫貯箱材質(zhì)采用鋁合金,貯箱頂部采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭,整個(gè)貯箱外部包覆多層絕熱,貯箱頂部有一個(gè)熱交換器,在熱交換器外連接制冷系統(tǒng),熱交換器下邊和低溫?zé)峁芟噙B,熱管底部是冷頭,混合泵將低溫液體噴向冷頭,可強(qiáng)化冷頭與流體之間的換熱,最終使貯箱內(nèi)部的低溫推進(jìn)劑維持在一個(gè)溫度較低的狀態(tài)。熱管的傳輸效率對(duì)低溫貯箱的冷卻效率有較大影響,因此在冷頭處加裝環(huán)狀或軸向翅片(環(huán)肋或直肋),以增加換熱面積,并對(duì)冷頭附近的流體產(chǎn)生紊流效應(yīng),以達(dá)到強(qiáng)化冷頭換熱效率的目的。

圖1 空間低溫貯箱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the cryogenic storage tank

圖2所示為六種不同換熱結(jié)構(gòu)的空間低溫貯箱模型,采用低溫推進(jìn)劑為液氫。圖2(a)為單混合泵側(cè)噴結(jié)構(gòu),熱管冷頭為光管,為了表述方便,簡(jiǎn)稱(chēng)為“單泵側(cè)噴＋光管”。圖2(b)為混合泵側(cè)噴結(jié)構(gòu),在熱管的冷頭加裝環(huán)肋以增加冷頭的換熱面積,強(qiáng)化冷頭的換熱,簡(jiǎn)稱(chēng)為“單泵側(cè)噴＋環(huán)肋”。圖2(c)為冷頭為光管,在中心軸對(duì)稱(chēng)布置三個(gè)混合泵,簡(jiǎn)稱(chēng)為“三泵側(cè)噴＋光管”。圖2 (d)所示結(jié)構(gòu)為在圖2(c)的基礎(chǔ)上,在冷頭處加裝環(huán)肋,簡(jiǎn)稱(chēng)為“三泵側(cè)噴＋環(huán)肋”。圖2(e)中冷頭為光管,混合泵從底部噴射,簡(jiǎn)稱(chēng)為“單泵底噴＋光管”,由于實(shí)際結(jié)構(gòu)為中心軸對(duì)稱(chēng),因此可以簡(jiǎn)化為二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。圖2(f)為混合泵從底部噴射、在冷頭加裝直肋的貯箱結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)稱(chēng)為“單泵底噴＋直肋”。

圖2 六種不同換熱結(jié)構(gòu)的空間低溫貯箱模型Fig.2 Models of cryogenic storage tank with six different heat transfer structure

3 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)在整個(gè)流體區(qū)域內(nèi)求解質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒控制方程,確定低溫推進(jìn)劑在貯箱內(nèi)的速度和溫度分布,從而確定貯箱中流體流動(dòng)和換熱的分布規(guī)律。假設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、湍流流動(dòng),流體為不可壓縮、常物性。湍流模型使用Reynolds時(shí)均方程。湍流模型的控制公式和雷諾分解法參考White［5］和Kays WM［6］的文章。質(zhì)量守恒公式可寫(xiě)成式(1)：

式中,Δ為哈密爾頓算子, u為流體速度。

微重力條件下,重力和浮力效應(yīng)可忽略,動(dòng)量守恒方程可寫(xiě)為式(2)：

式中,ρ為流體密度,kg/ m3；p為流體壓力,Pa；μ為有效粘度,Pa·s；Δ2為拉普拉斯算子。

對(duì)于湍流模型,有效粘度μ定義為動(dòng)力粘度μ0(物理特性)和渦流粘度μt(湍流效應(yīng))之和(如式(3)),其中渦流粘度可以顯示出湍流對(duì)流動(dòng)的影響。采用普朗特提出的混合長(zhǎng)度理論對(duì)湍流進(jìn)行模擬［7］,這種模型對(duì)于較為簡(jiǎn)單的流動(dòng),比如貼壁流動(dòng)、射流以及尾流等問(wèn)題有很好的模擬結(jié)果,并且不需要附加的控制方程。

假設(shè)無(wú)熱源項(xiàng),并且忽略粘性擴(kuò)散和壓力的作用,能量守恒方程的表達(dá)式為式(4)：

式中, cp為定壓比熱容,J/ (kg·K)；k為導(dǎo)熱系數(shù),W/ (m·K)；kt為附加導(dǎo)熱系數(shù),W/ (m·K)。

同粘度的處理方法類(lèi)似,在能量守恒方程中,采取湍流附加導(dǎo)熱系數(shù)kt的方法來(lái)描述湍流造成的影響。湍流熱導(dǎo)率可以表述為式(5)：

為了完整地描述整個(gè)問(wèn)題,需要在計(jì)算區(qū)域的每個(gè)邊界部分設(shè)置合適的邊界條件,如式(6) ～(10)。

在入口處：

在中心軸：

在貯箱壁面：

在入口管壁和噴頭壁面：

在熱管蒸發(fā)段：

以上各式中, ur為流體的徑向速度,m/ s；uz為流體的軸向速度,m/ s；uin為混合泵入口處的流速,m/ s；T為流體溫度,K；Tin為混合泵入口處的流體溫度,K；qw為進(jìn)入貯箱的熱流,w/ m2；n表示壁面厚度,m；Tc表示臨界溫度,K。

采用有限體積法求解控制方程(1)～(10)和邊界條件,將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散,所有的模擬均采用四邊形網(wǎng)格。采用SIMPLE算法來(lái)更新計(jì)算區(qū)域內(nèi)的壓力場(chǎng)分布［8］。在每個(gè)部件中,徑向和軸向速度部件、壓力和溫度都使用Galerkin過(guò)程,使用非線性代數(shù)公式定義非離散的連續(xù)體,使用完全耦合迭代置換法解決系統(tǒng)的非線性問(wèn)題。

本文采用低溫推進(jìn)劑液氫20 K時(shí)的物性參數(shù),ρ＝71.1 kg/ m3,μ＝1.36×10-5Pa·s, cp＝9.53×103J/ (kg·K), k＝0.0984 W/ (m·K),邊界條件為混合泵噴口速度uin＝0.01 m/ s,入口液體溫度Tin＝18 K,外壁面漏入貯箱內(nèi)部的熱流密度qw＝1 W/ m2。

4 模擬結(jié)果

圖3給出了六種不同換熱結(jié)構(gòu)貯箱的流場(chǎng)分布圖,圖3(a)～(f)中的流場(chǎng)(速度場(chǎng))分布與圖2(a)～(f)中的換熱結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。可以看出圖3 (a)中模型的平均速度為0.001～0.003 m/ s,單噴頭結(jié)構(gòu)流體從噴頭噴出后分為三股分別冷卻頂部、側(cè)面和底部壁面。圖3(b)中,混合泵噴射到冷頭的流體速度是0.01 m/ s,在冷頭背風(fēng)側(cè)形成速度較低的尾翼區(qū)域,之后流體速度降低為0.005 m/ s,貯箱外壁附近基本上均有速度較高的流體對(duì)其進(jìn)行冷卻。圖3(c)中各個(gè)位置的速度場(chǎng)有很好的對(duì)稱(chēng)性,這說(shuō)明計(jì)算結(jié)果是正確的。由圖中還可以發(fā)現(xiàn),貯箱的中部速度較大,究其原因是三個(gè)噴頭的相互影響制約導(dǎo)致混合泵出口流體大部分流向貯箱的底部和頂部。圖3(d)與圖3(c)的流場(chǎng)相似,由于是三個(gè)混合泵,流體的較高流速只有0.008 m/ s,但是由于其它兩個(gè)泵的影響,當(dāng)流體達(dá)到貯箱壁時(shí),流體的速度很低,不能有效冷卻壁面,降低了換熱效率。圖3(e)在貯箱內(nèi)部形成兩個(gè)明顯的低速區(qū)域,一個(gè)位于貯箱頂部,一個(gè)位于貯箱中心位置。由圖可以看出,貯箱內(nèi)部有多股流體存在,且各股流體之間相互制約,使流體到達(dá)壁面時(shí)流速已經(jīng)較小,因此降低了換熱效率,且各股流體的交匯處存在死滯區(qū),這是影響貯箱換熱效果的主要因素。圖3(f)在箱體的上部形成一個(gè)明顯的渦流區(qū)域,而下部(尤其是貼近壁面的區(qū)域)的流速很低,基本處于滯止?fàn)顟B(tài)。這是由于底噴結(jié)構(gòu)中噴頭出口速度是豎直向上的,沿著冷頭向上流動(dòng)的過(guò)程中具有很大的動(dòng)量值,故能夠很好地貼壁沖刷,而等到沿著箱體壁面向下流動(dòng)時(shí),其速度方向改變了180°,由于速度方向改變以及流動(dòng)過(guò)程中的摩擦損耗,導(dǎo)致工質(zhì)的動(dòng)量明顯減小,不足以繼續(xù)沖刷壁面,從而在箱體上部形成一個(gè)渦流。

圖3 不同結(jié)構(gòu)貯箱的流場(chǎng)（速度場(chǎng)）分布Fig.3 Velocity distribution of different structures

圖4為六種不同換熱結(jié)構(gòu)低溫貯箱的溫度場(chǎng)分布圖。圖4(a)～(f)中的溫度場(chǎng)分布與圖2 (a)～(f)中的換熱結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。由圖可知,各種結(jié)構(gòu)貯箱均在不同的位置存在高溫區(qū)域,但是高溫區(qū)域的溫度和面積大小有區(qū)別。通過(guò)對(duì)比各種結(jié)構(gòu)的溫度分布,可以獲得效果最好的結(jié)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行深入地研究。

圖4 不同結(jié)構(gòu)貯箱內(nèi)流體溫度場(chǎng)Fig.4 Temperature distribution of different structures

圖4(a)中,整個(gè)貯箱溫度都處于較高溫區(qū),最高溫度為20.58 K,位于貯箱左側(cè)頂部。圖4 (b)中,可以看出,貯箱大部分都是由混合泵噴出的冷流體冷卻的,除了貯箱壁面周?chē)突旌媳蒙厦娴男〔糠?整個(gè)貯箱的最高溫度位于貯箱壁,為18.7 K。

圖4(c)中,可以看到沿高度方向不同位置的溫度分布,圖中各個(gè)位置的溫度場(chǎng)有很好的對(duì)稱(chēng)性,貯箱的中部溫度較低,究其原因是三個(gè)噴頭的相互影響制約導(dǎo)致混合泵出口流體大部分流向貯箱的底部和頂部。圖4(d)中,三個(gè)對(duì)稱(chēng)區(qū)域中的最高溫度是20.05 K。和結(jié)構(gòu)(b)相比,這種結(jié)構(gòu)具有溫度較高、高溫面積也較大的特點(diǎn)。

圖4(e)中,高溫區(qū)域位于混合泵后方,其原因在于貯箱內(nèi)部有多股流體,各股流體之間相互影響和制約,在不同流向的流體相匯時(shí)會(huì)形成死滯區(qū),這些區(qū)域流速極低,換熱效果很差,因此會(huì)導(dǎo)致此處貯箱壁面溫度升高。圖4(f)中,其溫度場(chǎng)為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),最高溫度為19.7 K,位于貯箱底部。圖4(f)底噴結(jié)構(gòu)可以有效地保證低溫工質(zhì)沿著上部壁面流動(dòng)形成上部的低溫區(qū)域,但是由于工質(zhì)回轉(zhuǎn)后的動(dòng)量不足,無(wú)法到達(dá)底部,而是在中部偏上的區(qū)域形成一個(gè)低溫渦流,這樣直接導(dǎo)致在貯箱壁面的下部出現(xiàn)一個(gè)明顯的高溫區(qū)域?？梢?jiàn)這一結(jié)構(gòu)雖然有效地降低了箱體上部的溫度,但是并不能使箱體內(nèi)工質(zhì)的整體溫度或平均溫度降低,仍然會(huì)出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)域。

圖5為六種不同換熱結(jié)構(gòu)貯箱所對(duì)應(yīng)的最高溫度和溫度偏差柱狀圖。貯箱的最高溫度可以反映冷卻效果［9］。由圖5可知,上述結(jié)構(gòu)的最高溫度分別為20.58 K、18.7 K、19.9 K、20.05 K、22.5 K 和19.7 K。最高溫度最低的貯箱是單混合泵側(cè)噴、冷頭加裝環(huán)肋的結(jié)構(gòu),其溫度偏差僅為0.7 K。其次是單混合泵底噴、冷頭加直肋的結(jié)構(gòu),溫差為1.7 K。而最高溫度最高的是單混合泵底噴、冷頭為光管結(jié)構(gòu),其溫差達(dá)4.5 K。因此單混合泵側(cè)噴、冷頭加裝環(huán)肋的結(jié)構(gòu)具體有較高的研究?jī)r(jià)值,在傳熱管冷頭加裝環(huán)肋時(shí),整個(gè)貯箱的換熱性能良好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,符合工程應(yīng)用需求。

圖5 不同換熱結(jié)構(gòu)貯箱的最高溫度和溫度偏差Fig.5 Maximum temperature and temperature deviation of different tank structures

5 結(jié)論

1)對(duì)比分析六種不同換熱結(jié)構(gòu)的ZBO低溫貯箱冷卻性能,熱管和混合泵位置以及冷頭的傳輸效率是影響低溫貯箱性能的主要因素。采用單混合泵側(cè)噴、冷頭底部加裝環(huán)肋的低溫貯箱強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)為最優(yōu)結(jié)構(gòu),具有良好的冷卻效果。

2)隨著混合泵數(shù)量的增加,低溫貯箱的冷卻性能不但沒(méi)有改善反而變壞,因此對(duì)于強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的ZBO低溫貯箱來(lái)說(shuō),采用單混合泵具有較好的混合效果。

3)冷頭加裝肋片對(duì)冷卻效率有較大的影響,環(huán)肋和直肋相比,環(huán)肋的性能較好,后續(xù)研究中將針對(duì)該種結(jié)構(gòu)的肋片形狀和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以便為低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌存儲(chǔ)的空間低溫貯箱設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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Numerical Simulation Study on Forced Heat Transfer of Space Cryogenic Tank Based on ZBO Technology

WANG Lihong，YE Wenlian，WANG Tiangang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Abstract：To meet the needs of long-term on-orbit storage of the cryogenic propellant for manned spaceflight and deep space exploration，a new type of cryogenic tank based on ZBO technology was proposed which integrated the active cooling and liquid mixing technology.Three dimensional model of the cryogenic storage system in microgravity was built.The numerical simulation of velocity and temperature distribution in the space cryogenic tanks with six different structures was studied in detail.By comparison，the location of the heat pipe，the pump unit，and the heat transfer efficiency of the cooling finger were the most important influence factors on the cryogenic tank.The maximum temperature was the lowest and the temperature standard deviation was minimum when the structure with single mixing-pump at a side of the tank and ring fins on the cool tip was applied in the storage tank，which was the optimal structural style.The findings will be beneficial to further improve the performance of cryogenic liquid storage system and provide reference for the optimal design of the cryogenic tank in space.

Key words：microgravity；cryogenic tank；zero boil-off；heat pipe；mixing-pump

作者簡(jiǎn)介：王麗紅(1973-),女,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榭臻g低溫液體存儲(chǔ)技術(shù)。E-mail：wherb＠163.com

基金項(xiàng)目：載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目(060301)

收稿日期：2015-08-15；修回日期：2016-02-03

中圖分類(lèi)號(hào)：V511＋.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825（2016）02-0164-05