基于ZBO技术的空间低温贮箱强化换热数值模拟研究

王丽红,冶文莲,王田刚

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州730000)



基于ZBO技术的空间低温贮箱强化换热数值模拟研究

王丽红,冶文莲,王田刚

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州730000)

摘要：针对载人航天和深空探测对低温推进剂长期在轨存储技术的研究需求，提出了一种基于主动制冷技术和流体混合技术的ZBO新型空间低温贮箱，建立了微重力下低温存储系统的3D模型，对六种采用不同换热结构低温贮箱的温度场和速度场进行了数值模拟和研究。通过对比分析，发现热管位置和混合泵以及冷头的传输效率是影响低温贮箱性能的主要因素，低温贮箱结构采用单混合泵侧喷和低温热管加环肋时最高温度最低，温差最小，具有较好的冷却效果。模拟结果有助于提高低温存储系统的性能，为空间低温贮箱的优化设计提供参考依据。

关键词：微重力；低温贮箱；ZBO；热管；混合泵

1 引言

低温推进剂如液氢、液氧和液态甲烷等具有比冲高、清洁、无毒无污染的特点,在航天中的应用越来越广泛。但是由于低温推进剂的饱和温度相对较低,易于受热蒸发,并且微重力下低温贮箱内的推进剂处于气液两相流状态,存在热分层,使其长期存储不易于实现［1］。为了实现低温推进剂的长期在轨存储并提高其贮运安全性,NASA提出了低温推进剂零蒸发损耗(Zero Boil-off,简称ZBO)技术［2-4］,该技术将主动制冷技术和被动多层绝热技术相互配套来实现贮箱压力控制而不需要排气,用耦合于低温制冷机的热交换器从贮箱内移出漏入贮箱的热量以及贮箱中的寄生热,最后这些热量通过辐射器辐射到外界空间环境中。该技术可以大大提高贮运效率和安全性,所以成为近年来低温推进剂长期在轨存储技术研究的热点。

针对载人航天和深空探测对低温推进剂长期在轨存储技术的研究需求,本文提出了一种基于ZBO技术的新型空间低温贮箱,建立了带有混合泵和热管结构的低温贮箱物理模型,获得了六种不同强化换热结构的流场和温度场等数据,并对各种结构的冷却效果进行了对比,获得了冷却效果最好的低温贮箱结构。

2 物理模型

空间低温贮箱的强化换热结构如图1所示。低温贮箱材质采用铝合金,贮箱顶部采用标准椭圆封头,整个贮箱外部包覆多层绝热,贮箱顶部有一个热交换器,在热交换器外连接制冷系统,热交换器下边和低温热管相连,热管底部是冷头,混合泵将低温液体喷向冷头,可强化冷头与流体之间的换热,最终使贮箱内部的低温推进剂维持在一个温度较低的状态。热管的传输效率对低温贮箱的冷却效率有较大影响,因此在冷头处加装环状或轴向翅片(环肋或直肋),以增加换热面积,并对冷头附近的流体产生紊流效应,以达到强化冷头换热效率的目的。

图1 空间低温贮箱结构Fig.1 Structure of the cryogenic storage tank

图2所示为六种不同换热结构的空间低温贮箱模型,采用低温推进剂为液氢。图2(a)为单混合泵侧喷结构,热管冷头为光管,为了表述方便,简称为“单泵侧喷＋光管”。图2(b)为混合泵侧喷结构,在热管的冷头加装环肋以增加冷头的换热面积,强化冷头的换热,简称为“单泵侧喷＋环肋”。图2(c)为冷头为光管,在中心轴对称布置三个混合泵,简称为“三泵侧喷＋光管”。图2 (d)所示结构为在图2(c)的基础上,在冷头处加装环肋,简称为“三泵侧喷＋环肋”。图2(e)中冷头为光管,混合泵从底部喷射,简称为“单泵底喷＋光管”,由于实际结构为中心轴对称,因此可以简化为二维结构进行计算。图2(f)为混合泵从底部喷射、在冷头加装直肋的贮箱结构,简称为“单泵底喷＋直肋”。

图2 六种不同换热结构的空间低温贮箱模型Fig.2 Models of cryogenic storage tank with six different heat transfer structure

3 数学模型

通过在整个流体区域内求解质量守恒、动量守恒和能量守恒控制方程,确定低温推进剂在贮箱内的速度和温度分布,从而确定贮箱中流体流动和换热的分布规律。假设流动为稳态、湍流流动,流体为不可压缩、常物性。湍流模型使用Reynolds时均方程。湍流模型的控制公式和雷诺分解法参考White［5］和Kays WM［6］的文章。质量守恒公式可写成式(1)：

式中,Δ为哈密尔顿算子, u为流体速度。

微重力条件下,重力和浮力效应可忽略,动量守恒方程可写为式(2)：

式中,ρ为流体密度,kg/ m3；p为流体压力,Pa；μ为有效粘度,Pa·s；Δ2为拉普拉斯算子。

对于湍流模型,有效粘度μ定义为动力粘度μ0(物理特性)和涡流粘度μt(湍流效应)之和(如式(3)),其中涡流粘度可以显示出湍流对流动的影响。采用普朗特提出的混合长度理论对湍流进行模拟［7］,这种模型对于较为简单的流动,比如贴壁流动、射流以及尾流等问题有很好的模拟结果,并且不需要附加的控制方程。

假设无热源项,并且忽略粘性扩散和压力的作用,能量守恒方程的表达式为式(4)：

式中, cp为定压比热容,J/ (kg·K)；k为导热系数,W/ (m·K)；kt为附加导热系数,W/ (m·K)。

同粘度的处理方法类似,在能量守恒方程中,采取湍流附加导热系数kt的方法来描述湍流造成的影响。湍流热导率可以表述为式(5)：

为了完整地描述整个问题,需要在计算区域的每个边界部分设置合适的边界条件,如式(6) ～(10)。

在入口处：

在中心轴：

在贮箱壁面：

在入口管壁和喷头壁面：

在热管蒸发段：

以上各式中, ur为流体的径向速度,m/ s；uz为流体的轴向速度,m/ s；uin为混合泵入口处的流速,m/ s；T为流体温度,K；Tin为混合泵入口处的流体温度,K；qw为进入贮箱的热流,w/ m2；n表示壁面厚度,m；Tc表示临界温度,K。

采用有限体积法求解控制方程(1)～(10)和边界条件,将计算区域进行离散,所有的模拟均采用四边形网格。采用SIMPLE算法来更新计算区域内的压力场分布［8］。在每个部件中,径向和轴向速度部件、压力和温度都使用Galerkin过程,使用非线性代数公式定义非离散的连续体,使用完全耦合迭代置换法解决系统的非线性问题。

本文采用低温推进剂液氢20 K时的物性参数,ρ＝71.1 kg/ m3,μ＝1.36×10-5Pa·s, cp＝9.53×103J/ (kg·K), k＝0.0984 W/ (m·K),边界条件为混合泵喷口速度uin＝0.01 m/ s,入口液体温度Tin＝18 K,外壁面漏入贮箱内部的热流密度qw＝1 W/ m2。

4 模拟结果

图3给出了六种不同换热结构贮箱的流场分布图,图3(a)～(f)中的流场(速度场)分布与图2(a)～(f)中的换热结构相对应。可以看出图3 (a)中模型的平均速度为0.001～0.003 m/ s,单喷头结构流体从喷头喷出后分为三股分别冷却顶部、侧面和底部壁面。图3(b)中,混合泵喷射到冷头的流体速度是0.01 m/ s,在冷头背风侧形成速度较低的尾翼区域,之后流体速度降低为0.005 m/ s,贮箱外壁附近基本上均有速度较高的流体对其进行冷却。图3(c)中各个位置的速度场有很好的对称性,这说明计算结果是正确的。由图中还可以发现,贮箱的中部速度较大,究其原因是三个喷头的相互影响制约导致混合泵出口流体大部分流向贮箱的底部和顶部。图3(d)与图3(c)的流场相似,由于是三个混合泵,流体的较高流速只有0.008 m/ s,但是由于其它两个泵的影响,当流体达到贮箱壁时,流体的速度很低,不能有效冷却壁面,降低了换热效率。图3(e)在贮箱内部形成两个明显的低速区域,一个位于贮箱顶部,一个位于贮箱中心位置。由图可以看出,贮箱内部有多股流体存在,且各股流体之间相互制约,使流体到达壁面时流速已经较小,因此降低了换热效率,且各股流体的交汇处存在死滞区,这是影响贮箱换热效果的主要因素。图3(f)在箱体的上部形成一个明显的涡流区域,而下部(尤其是贴近壁面的区域)的流速很低,基本处于滞止状态。这是由于底喷结构中喷头出口速度是竖直向上的,沿着冷头向上流动的过程中具有很大的动量值,故能够很好地贴壁冲刷,而等到沿着箱体壁面向下流动时,其速度方向改变了180°,由于速度方向改变以及流动过程中的摩擦损耗,导致工质的动量明显减小,不足以继续冲刷壁面,从而在箱体上部形成一个涡流。

图3 不同结构贮箱的流场（速度场）分布Fig.3 Velocity distribution of different structures

图4为六种不同换热结构低温贮箱的温度场分布图。图4(a)～(f)中的温度场分布与图2 (a)～(f)中的换热结构相对应。由图可知,各种结构贮箱均在不同的位置存在高温区域,但是高温区域的温度和面积大小有区别。通过对比各种结构的温度分布,可以获得效果最好的结构,并对其进行深入地研究。

图4 不同结构贮箱内流体温度场Fig.4 Temperature distribution of different structures

图4(a)中,整个贮箱温度都处于较高温区,最高温度为20.58 K,位于贮箱左侧顶部。图4 (b)中,可以看出,贮箱大部分都是由混合泵喷出的冷流体冷却的,除了贮箱壁面周围和混合泵上面的小部分,整个贮箱的最高温度位于贮箱壁,为18.7 K。

图4(c)中,可以看到沿高度方向不同位置的温度分布,图中各个位置的温度场有很好的对称性,贮箱的中部温度较低,究其原因是三个喷头的相互影响制约导致混合泵出口流体大部分流向贮箱的底部和顶部。图4(d)中,三个对称区域中的最高温度是20.05 K。和结构(b)相比,这种结构具有温度较高、高温面积也较大的特点。

图4(e)中,高温区域位于混合泵后方,其原因在于贮箱内部有多股流体,各股流体之间相互影响和制约,在不同流向的流体相汇时会形成死滞区,这些区域流速极低,换热效果很差,因此会导致此处贮箱壁面温度升高。图4(f)中,其温度场为轴对称结构,最高温度为19.7 K,位于贮箱底部。图4(f)底喷结构可以有效地保证低温工质沿着上部壁面流动形成上部的低温区域,但是由于工质回转后的动量不足,无法到达底部,而是在中部偏上的区域形成一个低温涡流,这样直接导致在贮箱壁面的下部出现一个明显的高温区域。可见这一结构虽然有效地降低了箱体上部的温度,但是并不能使箱体内工质的整体温度或平均温度降低,仍然会出现明显的高温区域。

图5为六种不同换热结构贮箱所对应的最高温度和温度偏差柱状图。贮箱的最高温度可以反映冷却效果［9］。由图5可知,上述结构的最高温度分别为20.58 K、18.7 K、19.9 K、20.05 K、22.5 K 和19.7 K。最高温度最低的贮箱是单混合泵侧喷、冷头加装环肋的结构,其温度偏差仅为0.7 K。其次是单混合泵底喷、冷头加直肋的结构,温差为1.7 K。而最高温度最高的是单混合泵底喷、冷头为光管结构,其温差达4.5 K。因此单混合泵侧喷、冷头加装环肋的结构具体有较高的研究价值,在传热管冷头加装环肋时,整个贮箱的换热性能良好,结构简单,符合工程应用需求。

图5 不同换热结构贮箱的最高温度和温度偏差Fig.5 Maximum temperature and temperature deviation of different tank structures

5 结论

1)对比分析六种不同换热结构的ZBO低温贮箱冷却性能,热管和混合泵位置以及冷头的传输效率是影响低温贮箱性能的主要因素。采用单混合泵侧喷、冷头底部加装环肋的低温贮箱强化换热结构为最优结构,具有良好的冷却效果。

2)随着混合泵数量的增加,低温贮箱的冷却性能不但没有改善反而变坏,因此对于强化换热结构的ZBO低温贮箱来说,采用单混合泵具有较好的混合效果。

3)冷头加装肋片对冷却效率有较大的影响,环肋和直肋相比,环肋的性能较好,后续研究中将针对该种结构的肋片形状和参数进行优化,以便为低温推进剂长期在轨存储的空间低温贮箱设计提供理论依据。

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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

作者简介：王丽红(1973-),女,硕士,高级工程师,研究方向为空间低温液体存储技术。E-mail：wherb＠163.com

基金项目：载人航天预先研究项目(060301)

收稿日期：2015-08-15；修回日期：2016-02-03

中图分类号：V511＋.6

文献标识码：A

文章编号：1674-5825（2016）02-0164-05