气枕压力对液氢贮箱热分层的影响规律

　　1 引 言

　　新型大推力液体火箭以液氢、液氧等低温流体作为推进剂,液氢贮箱作为必备的燃料贮存和供给设备,自液氢加注完毕起,开始了较长时间的地面停放, 并在升空前某时刻增加气枕压力以保证液氢能够顺利供给发动机。其间外部漏热造成箱内近壁区液氢温度升高,形成密度差并引起自然对流,在浮升力作用下热流体 沿壁面向上运动。随着时间的持续,贮箱上层液氢温度逐渐升高并向下扩散,最终在箱内形成轴向热分层。热分层现象的存在不但会影响液氢的蒸发及贮箱内部压力 的变化,而且可能造成输液泵的气蚀问题,影响发动机的正常工作甚至造成发射失败^[1-2]。因此,热分层现象是液氢贮箱设计中必须考虑的重点问题。

　　迄今为止,涉及低温液体热分层的相关研究在中国国内及国外已有文献报道:文献^[3]通过建立箱内流体的控制方程,采用有限差分法数值模拟不同边界条件下箱内流体的物理场分布特性,并与实验结果对比证明了方法的正确性。文献^[4]在对贮箱模型简化的基础上利用数值模拟的方法研究了Ra数、Pr数、贮箱高径比、壁面漏热量等因素对箱内流场、温度场的影响情况。文献^[5]采用涡流函数法对液氢热分层进行数值模拟,拟合出表面温度与热流密度、液体充满率及时间的函数表达式。文献^[6]通过可视化试验方法研究了水的热分层现象,并采用数值模拟的方法对圆柱型箱体内液氢热分层规律进行了分析,两种结果对比得到了相似的结论。文献^[7]分别对内表面是否带有肋板的液氢贮箱进行数值模拟,证明肋板能够有效降低热分层的发生,并且根据流函数及温度分布的不同将过程分为3个阶段。文献^[1-2]采用CFD技术对带有预冷回路的液氧贮箱内部物理场进行数值模拟,得出回流口位置对液氧热分层影响明显,当回流口位于下封头以上2m时,箱内液氧过冷度最大,且在回流口以上区域传热以对流方式为主,而底部区域以导热为主。

　　壁面漏热量、贮箱结构、气枕压力等都会对低温液体热分层造成影响。根据现有文献资料,研究人员已对前两种因素的影响做了大量工作,而有关气枕压 力对热分层的影响则未见文献报道。增加气枕压力会引起箱内低温流体物性的较大改变,进而影响到主体区的温度分布,因此研究气枕压力对热分层的影响具有现实 意义。由于液氢自身性质特殊,使得依靠可视化实验研究非常困难。本文采用CFD技术,将三维贮箱模型做二维处理,对不同气枕压力下液氢贮箱内部物理场进行 模拟,以揭示气枕压力对热分层的影响程度及其变化规律,为液体火箭液氢贮箱的设计提供理论依据。