低温液氮贮箱增压性能及热分层研究

对以液氮为工质的低温贮箱进行了增压实验,气枕压力分别从常压增压至1.93bar、1.53bar、1.21bar,由于实验过程中液位的变化影响,增压速率依次略有下降。建立了贮箱增压数值模型,对1.93bar增压过程进行了模拟分析并与实验值进行了对比。对三组增压实验过程中液氮表面的温度分层情况进行了研究,结果表明液相温度分层主要存在于液氮表面,并且温度分层情况受气枕压力的影响明显,液相主流温度区几乎不随气枕压力变化。     

低温液氮贮箱静置增压及放气特性分析

由于外部漏热的影响,静置时低温贮箱内的气枕压力会逐渐升高,压力升高相应地会改变贮箱内气相空间的温度分布。文中对低温液氮贮箱进行了静置增压过程实验,结果表明:增压所耗时间随气枕压力升高而增大,气相空间垂直方向各温度在实验压力范围内也相应升高;低温贮箱在不同的气枕压力下进行了放气过程实验,并对泄压过程中气体流量随气枕压力的变化进行了分析。     

不同工质下热力学排气系统的压力控制及运行特性

以低温贮箱压力控制为目标,建立了热力学排气系统(TVS)和贮箱内流体流动及气液相变过程的数学模型。以18.09m~3低温贮箱在地面工况充注率75%、漏热量0.76W/m~2为例,计算了不同贮存工质(液氢、液氮、液氧)下贮箱自增压过程及开启TVS后对贮箱压力控制的效果。结果表明,相同漏热率下液氢贮箱的气枕升压速率远大于相同充注率下的液氮和液氧贮箱升压速率;TVS运行后三种工质贮箱压力均可有效地控制在165.5~172.4kPa范围内。对比了不同工质热力学排气系统的运行周期、运行时间及排气量等关键参数,同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律。     

氧箱冷氦气瓶加注和增压系统仿真计算及分析

冷氦增压系统是低温液体推进系统的关键技术之一。利用仿真软件Sinda/Fluint,对氧箱冷氦增压系统的冷氦气瓶加注过程和系统增压过程进行了基于集总参数法的建模与计算分析。首先,对冷氦气瓶加注过程给出了最优加注流量,并分析了气瓶内温度压力达到稳定所需的时间、冷氦气瓶充气过程瓶内最高温度以及气瓶与周围液氧的传热;其次,针对冷氦增压系统,详细研究了两种气瓶布局条件下,贮箱增压过程中冷氦气瓶温度、压力随时间的变化,以及氧箱内气枕与液氧的温度、压力变化情况;最后,还对增压过程中的氦气流量、传热特性进行了研究。     

充注率及氦气增压对低温贮箱热分层特性影响

为了揭示低温推进剂贮箱的增压规律和热分层特性,在以液氮为贮存介质的低温流体高效贮存平台上,进行了不同充注率下的贮箱自增压及氦气增压实验。得到充注率分别为35%,50%和65%时的贮箱增压速率分别为7.54 kPa·h~(-1),13.02 kPa·h~(-1)和28.26 kPa·h~(-1).获得了达到相同压力水平时各自充注率对应的温度分布,分析了不同充注率时贮箱温度梯度的变化规律。最后使用常温氦气作为增压气体,将贮箱充注率为50%的贮箱分别增压到180 kPa,380 kPa和580kPa,分析了氦气充注过程及达到不同压力水平时贮箱内温度分布变化规律.     

大型液氧储罐停放过程中热分层特征分析

数值模拟了大型液氧贮箱停放阶段液氧与气枕区的热分层特征,根据模拟结果分析了液氧贮箱热分层厚度演化规律。结果表明:液氧的温度分层厚度随时间增长先增加后保持不变。外界环境温度的变化会在一定程度上影响着贮箱侧壁处的温度分布,但是对于其温度分层厚度并没有显著的影响。气枕区热分层现象比液氧区更加明显。     

顶部漏热低温贮罐温度分层研究

通过实验研究了顶部受热低温贮罐中低温流体温度分层、压力变化情况,并进行了理论计算。研究结果显示,在静置过程中贮罐在顶部漏热时气相空间温度分层较为显著,且由于顶部的持续漏热,气相空间的温度梯度一直存在;液相的温度梯度曲线与误差函数曲线一致;贮罐的压力可分为两部分:初始的快速增压和之后的稳定增压阶段;随着静置时间的增加,液体温度分层更加明显,贮罐气枕压力逐渐变大。该研究为确定贮罐安全贮存增压压力和贮存时间提供技术依据,为工程实际应用提供支撑。     

低温液体贮箱蒸发率影响因素研究

理论分析了低温贮箱的热性能,计算并对比了低温贮箱各部分漏热情况。通过在静置状态下的蒸发率实验,测量了一定时间内的低温液体蒸发量,以此计算了液氮工质的蒸发率以及外部总漏热量,并与计算值进行了对比。通过制冷机降低贮箱内气相温度,结果表明,气枕压力及蒸发率随气相空间温度减小能够有效降低。     

热力学排气系统气枕压力循环控制研究

对以液氮为工质的热力学排气系统进行了周期性压力循环控制实验,对实验循环过程中的气枕压力波动进行了测量,并对液相同步瞬时温度进行了实时监测。结果显示在前期混合模式阶段,由于外部环境漏热及内部低温泵功热持续向低温液体耗散与积累效应,液氮的平均温度上升速率为0.166K/h;而在后期并行运行模式阶段,低温液体通过节流膨胀产生了制冷效应,由于冷量的输入能够有效降低引起液相温升的热量,因而有效减缓了液体温度上升速率,有节流冷量输入的液体温升速率降低为0.0235K/h。通过数学模型对液相随气枕压力的温升变化速率及各运行模式终了温度进行了仿真,通过比较,发现计算结果与测试数据吻合较好。     

过热低温液体停放过程热分层特征分析

针对初始过热充注的液氧储箱内温度分层现象,通过数值模拟对储箱在停放过程中低温工质温度场的变化特征进行研究,同时分析了初始过热度以及漏热形式对温度发展规律的影响。研究表明:常压停放过程中,受到液体初始过热度的影响,储箱内液氧温度呈现从汽液界面至底部逐渐升高的趋势,与实验结果相一致;液体初始过热度越大,相界面蒸发速率越快,同一时刻对应气枕区的温度越低;增加气枕区绝热性能相对于底端绝热更有助于储箱内状态尽快稳定。     

低温储罐自增压特性的实验研究

LNG是一种易燃易爆的低温气体,通常采用无损储存。由于外界漏热,储罐内压力会不断上升,此升压速率对无损储存的安全有着重要的影响。文中建立了低温储罐自增压以及温度分层实验装置,对罐内的温度分层及此时的升压过程进行了实验研究。     

火箭低温液体推进剂增压系统数学模型

针对火箭低温液体推进剂增压系统建立了数学模型,目的是为获得满足工程精度要求的飞行期间贮箱内气相空间的压力、温度以及贮箱壁壁温的变化规律.数学模型被证明有较好的计算精度,且模型能适应不同种类的增压气体,甚至混合型增压气体,能适应加注后停放期间和飞行期间的计算.     

低温制冷机与ZBO存储系统耦合数值模拟

介绍了基于低温液体压力控制技术搭建的一套小型实验装置,并针对实验中的一项关键内容-低温制冷机与零蒸发(ZBO)存储系统耦合建立了采用CFD软件的数学模型.根据实验装置中的已知参数以及设计计算结果,模拟了制冷机关闭状态下不同时刻液氮贮箱内流体分布、制冷机开启状态下分别采用紫铜箔与高温热解石墨传热元件时,低温贮箱内流体及导热带上温度分布情况.由模拟结果得知,石墨比紫铜具有更强的冷量传输能力,使贮箱内液氮温度和压力更低,体现了高效耦合性,从而在理论上验证了采用石墨传热元件的可行性.最后针对实际情况,提出了石墨与铜导热带相结合的传热结构.     

蓄冷能力对液氢贮箱蒸气冷却屏瞬态特性的影响

蒸气冷却屏可有效降低贮箱漏热,延长低温流体贮存时间。为明确间歇性排气下蒸气冷却屏是否有足够的蓄冷能力能够在短时排气过程中充分蓄存/回收低温气体冷量,本文针对液氢贮箱绝热结构建立了耦合真空多层绝热与蒸气冷却屏的瞬态传热模型,研究了间歇性排气下液氢贮箱外部绝热结构和内部气液相的热力参数变化规律,讨论了绝热结构瞬态温度分布随蒸气冷却屏蓄冷能力的变化特性,对比分析了蓄冷能力对蒸气冷却屏绝热性能的影响。     

基于斯特林制冷机的磁体冷却系统实验研究

为了减小磁共振成像低温超导磁体冷却过程中的液氮和液氦消耗,提高降温过程的可控性,提出基于千瓦级斯特林制冷机的氦气循环冷却系统,可将磁体快速冷却至液氮温度以下。对冷却系统建立数学物理模型并开展数值计算,在氦气平均压力为1.7 bar、流速为9.8 m/s时,系统冷却总重量为2 t的室温超导磁体至液氮温度仅需59.0 h。基于模拟结果开展实验研究,在相同条件下磁体实际降温时间为69.5 h,模拟计算与实验结果吻合良好。结果表明,该系统具备快速冷却超导磁体的能力,具有广阔的应用前景和深远的影响。     

低温液氧箱体自由界面晃动动态响应

采用计算流体力学(CFD)技术数值研究低温液氧贮箱在外部晃动激励下箱内气液界面动态响应。计算中详细考虑了外部漏热以及气液相间相变对箱体热力耦合过程的影响,通过用户自定义程序将外部正弦激励加载到低温贮箱壁面作为动量边界,采用流体体积(VOF)方法精确捕捉晃动过程气液界面波动变化。通过与相关晃动实验结果对比,验证了本文所构建数值模型的有效性。基于所构建数值模型,对流体晃动进行数值模拟,获得了外部正弦激励下,箱体内部气液相分布以及界面形状变化;通过设置动态监测点,分析了气液界面晃动动态响应。结果表明,流体晃动对低温贮箱内部气液界面动态响应具有较大影响。为抑制流体大幅波动,需采取合适的防晃措施。     

TVS系统压力控制运行模式分析

对采用热力学排气技术的低温液体高效贮存系统进行了结构和原理介绍,据此对低温贮箱的压力控制运行方式进行了分析。运行方式主要分为排气模式、混合模式和双重模式,对每种运行模式从结构和运行原理进行了介绍,并从缺陷和优点两方面进行了总结。对混合模式和双重模式下的压力控制技术,结合了实验案例进行剖析。通常会根据贮箱内压力等参数变化而采取几种模式的组合开展实验。     

基于三模冗余的运载火箭增压控制设备设计

目前某型号运载火箭增压输送系统采用机械式控制方式,该方式调试难度较高、误差较大;为此提出了一种基于三模冗余的数字式增压控制设备方案;该增压控制设备采用3个完全相同的处理单元进行压力数据采集及处理,在每个处理单元中,由数字式压力传感器进行贮箱压力测量并传送给单片机;通过单片机进行软件滤波和数据分析判读处理,输出控制信号;采用高可靠硬件表决单元对单片机输出的控制信号进行三取二表决,输出最终的电磁阀控制结果;试验表明,该增压控制设备易于调试和测试,测量精度在1%以内;该增压控制设备已完成样机研制,具有较高的通用性及可靠性。     

快速增压法研究温度对铝和氯化钠Grüneisen参数的影响

根据Grüneisen状态方程导出的偏导关系式γ=(K_S/T)(T/p)S(其中KS是绝热体积弹性模量),采用快速增压方法结合中值定理分别在297~494K和312~608K温度范围内研究了铝和氯化钠的Grüneisen参数γ随温度的变化关系。在平面对顶压砧模具上设计了内加热的样品组装方式,测量了不同温度下快速增压过程中样品的温升曲线和压力变化曲线,并对温升曲线进行了温度修正,使所得结果更接近绝热压缩过程。实验结果表明:铝和氯化钠在实验温度范围内、压力分别为2.17GPa和1.46GPa下,其ΔT/Δp值随着温度的升高而增大;γ值随着温度的升高表现为波动的变化趋势,与温度没有明显的变化关系。     

激光驱动气库材料实现准等熵压缩理论模型分析

激光驱动气库材料可用于实现准等熵压缩,为了预估样品靶前表面的峰值压力及分析样品靶前表面压力随时间变化曲线,建立了一个简化的理论模型用于描述这一物理过程。激光入射在气库材料上产生冲击波,冲击波到达气库材料背表面卸载使其成为等离子体,进而在真空中自由膨胀。在膨胀的过程中,等离子体密度、温度不断降低,并堆积在样品前端使样品表面的温度、压力缓慢上升,实现准等熵压缩。将气库材料近似为多方气体,对其进行分层处理,求解得到每一层等离子体自由膨胀的解析解,进而编写程序计算多层等离子体堆积在样品前端压力随时间变化曲线。与实验上获得样品自由面粒子速度后用背积分方法获得的样品前端压力随时间变化曲线进行对比,较为吻合,表明这种模型可以用于预估样品前端压力。