【摘要】：隨著低溫液體在能源、航天等領(lǐng)域的廣泛使用,低溫技術(shù)得到快速發(fā)展,并滲透到國民經(jīng)濟的各個行業(yè),低溫液體儲運技術(shù)也得到了廣泛的關(guān)注。美國NASA提出的無損儲存技術(shù)(Zero Boil-Off,ZBO),通過制冷技術(shù)與絕熱技術(shù)的綜合運用,可實現(xiàn)低溫液體長期在軌無損儲存。為深入研究ZBO儲存過程中儲罐內(nèi)部流場變化規(guī)律,以高真空變密度多層絕熱立式儲罐為主要研究對象,搭建液氮無損儲存實驗平臺,對充滿率為0.7的低溫儲罐進行無損儲存實驗,分別針對制冷機關(guān)閉和制冷功率為5W@77K工況,對儲罐內(nèi)流場變化規(guī)律進行理論分析、仿真計算和實驗驗證。以熱分層模型為基礎(chǔ)對儲罐進行簡化,以格拉曉夫數(shù)Gr作為判斷依據(jù),對儲罐內(nèi)氮氣和液氮流態(tài)進行判別。建立了儲罐內(nèi)氣液兩相流體的二維軸對稱模型,采用CFD數(shù)值模擬方法進行仿真計算,并通過用戶自定義程序(UDF)定義液氮蒸發(fā)冷凝過程氣液相的傳熱傳質(zhì)模型,得到了低溫儲罐內(nèi)流體溫度場、速度場的瞬態(tài)變化規(guī)律。設(shè)計實驗,得到儲罐內(nèi)壓力、溫度變化規(guī)律,并對其進行定性分析。將理論計算、仿真研究、實驗測試結(jié)果相互驗證,三者較為吻合,得到如下結(jié)論:(1)制冷機關(guān)閉工況下,格拉曉夫數(shù)Gr計算結(jié)果判斷氣相空間側(cè)壁面漏熱使氮氣自然對流流態(tài)為層流,熱量傳遞效率較低。仿真計算結(jié)果表明,氮氣溫度變化平穩(wěn),且從邊界到儲罐中心逐漸降低,氣體流動速率較為緩慢,有利于減緩低溫液氮的蒸發(fā)。實驗測試結(jié)果表明儲罐內(nèi)壓力、氣體溫度持續(xù)上升,且上升速率逐漸減慢,儲罐頂部氣體溫度較高,氣體之間熱交換效率較低。(2)制冷機關(guān)閉工況下,格拉曉夫數(shù)Gr計算結(jié)果判斷儲罐液相區(qū)側(cè)壁面漏熱使液氮自然對流流態(tài)為湍流,流場波動較大,熱量傳遞效率較高;仿真計算結(jié)果表明,液氮在儲罐側(cè)壁面形成熱邊界層,熱邊界層流體上升,到達儲罐氣液分界面處向儲罐中心流動,形成放射狀對流。蒸發(fā)降溫后的熱流體刺穿氣液分界面,在氣液界面下形成渦旋。儲罐底部漏熱形成大渦旋,流體內(nèi)部擾動較大。(3)制冷功率為5W@77K工況下,格拉曉夫數(shù)Gr計算結(jié)果判斷制冷機導熱帶傳輸冷量造成氣相空間氮氣及液相區(qū)液氮自然對流流態(tài)均為湍流,傳熱效率較高。仿真計算結(jié)果表明,冷量在導熱帶內(nèi)傳遞速率高于冷量在導熱帶與周圍氮氣之間的傳遞速率,靠近導熱帶的局部區(qū)域氮氣流速較大,溫度下降較快。實驗結(jié)果證實儲罐內(nèi)壓力、溫度持續(xù)下降,且下降速率較快,證明制冷機對儲罐內(nèi)壓力、溫度具有較好的控制作用。(4)制冷功率為6W@77K工況下,相比于制冷功率為5W@77K工況,冷量沿導熱帶傳遞速率加快,導熱帶周圍氮氣溫度更早出現(xiàn)波動,氮氣溫度下降速度更快。儲罐內(nèi)液相區(qū)流場波動更為劇烈,且渦胞式流動現(xiàn)象更加明顯。儲罐底部渦旋從液氮主流體中獲取能量,造成液相區(qū)湍流的脈動與混合,避免液氮流體出現(xiàn)分層和翻滾現(xiàn)象,表明制冷量增加有利于低溫液體的安全儲存。(5)依據(jù)熱力學“耗散”原理對儲罐底部液氮大渦旋進行解釋。
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ116.15;TB657
【圖文】：

圖 1.1 變密度多層絕熱（VD-MLI）結(jié)構(gòu)度多層絕熱具有絕熱效果好、重量輕等優(yōu)勢，在空間應用領(lǐng)絕熱防護上已經(jīng)被廣泛應用，效果顯著。相關(guān)試驗表明，推進多層絕熱防護后，推進劑蒸發(fā)量比采用傳統(tǒng)多層絕熱（MLI）

圖 1.2 氣冷屏復合絕熱結(jié)構(gòu)熱流示意圖；2-低溫貯箱壁；3-SOFI；4-VD-MLI；5-氣冷屏；6-V在地面階段，當氣冷屏位于泡沫絕熱材料（SOF-MLI）之間時，氣冷屏復合絕熱得到最優(yōu)的絕熱

1.3 液氮零蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2-制冷機冷指；3-冷凝器；4-上7-熱管氣體管路；8-杜瓦傳輸發(fā)器；11-杜瓦低溫儲罐；12 杜程中，儲罐漏熱主要來源究，采用輻射屏、隔熱板等境熱輻射，從而降低貯箱

【參考文獻】

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本文編號：2780240