【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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè),低溫液體儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)也得到了廣泛的關(guān)注。美國(guó)NASA提出的無(wú)損儲(chǔ)存技術(shù)(Zero Boil-Off,ZBO),通過(guò)制冷技術(shù)與絕熱技術(shù)的綜合運(yùn)用,可實(shí)現(xiàn)低溫液體長(zhǎng)期在軌無(wú)損儲(chǔ)存。為深入研究ZBO儲(chǔ)存過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)部流場(chǎng)變化規(guī)律,以高真空變密度多層絕熱立式儲(chǔ)罐為主要研究對(duì)象,搭建液氮無(wú)損儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)充滿率為0.7的低溫儲(chǔ)罐進(jìn)行無(wú)損儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn),分別針對(duì)制冷機(jī)關(guān)閉和制冷功率為5W@77K工況,對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)流場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以熱分層模型為基礎(chǔ)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行簡(jiǎn)化,以格拉曉夫數(shù)Gr作為判斷依據(jù),對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)氮?dú)夂鸵旱鲬B(tài)進(jìn)行判別。建立了儲(chǔ)罐內(nèi)氣液兩相流體的二維軸對(duì)稱模型,采用CFD數(shù)值模擬方法進(jìn)行仿真計(jì)算,并通過(guò)用戶自定義程序(UDF)定義液氮蒸發(fā)冷凝過(guò)程氣液相的傳熱傳質(zhì)模型,得到了低溫儲(chǔ)罐內(nèi)流體溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的瞬態(tài)變化規(guī)律。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),得到儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、溫度變化規(guī)律,并對(duì)其進(jìn)行定性分析。將理論計(jì)算、仿真研究、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相互驗(yàn)證,三者較為吻合,得到如下結(jié)論:(1)制冷機(jī)關(guān)閉工況下,格拉曉夫數(shù)Gr計(jì)算結(jié)果判斷氣相空間側(cè)壁面漏熱使氮?dú)庾匀粚?duì)流流態(tài)為層流,熱量傳遞效率較低。仿真計(jì)算結(jié)果表明,氮?dú)鉁囟茸兓椒�(wěn),且從邊界到儲(chǔ)罐中心逐漸降低,氣體流動(dòng)速率較為緩慢,有利于減緩低溫液氮的蒸發(fā)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、氣體溫度持續(xù)上升,且上升速率逐漸減慢,儲(chǔ)罐頂部氣體溫度較高,氣體之間熱交換效率較低。(2)制冷機(jī)關(guān)閉工況下,格拉曉夫數(shù)Gr計(jì)算結(jié)果判斷儲(chǔ)罐液相區(qū)側(cè)壁面漏熱使液氮自然對(duì)流流態(tài)為湍流,流場(chǎng)波動(dòng)較大,熱量傳遞效率較高;仿真計(jì)算結(jié)果表明,液氮在儲(chǔ)罐側(cè)壁面形成熱邊界層,熱邊界層流體上升,到達(dá)儲(chǔ)罐氣液分界面處向儲(chǔ)罐中心流動(dòng),形成放射狀對(duì)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(chǔ)罐底部漏熱形成大渦旋,流體內(nèi)部擾動(dòng)較大。(3)制冷功率為5W@77K工況下,格拉曉夫數(shù)Gr計(jì)算結(jié)果判斷制冷機(jī)導(dǎo)熱帶傳輸冷量造成氣相空間氮?dú)饧耙合鄥^(qū)液氮自然對(duì)流流態(tài)均為湍流,傳熱效率較高。仿真計(jì)算結(jié)果表明,冷量在導(dǎo)熱帶內(nèi)傳遞速率高于冷量在導(dǎo)熱帶與周圍氮?dú)庵g的傳遞速率,靠近導(dǎo)熱帶的局部區(qū)域氮?dú)饬魉佥^大,溫度下降較快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、溫度持續(xù)下降,且下降速率較快,證明制冷機(jī)對(duì)儲(chǔ)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(dǎo)熱帶傳遞速率加快,導(dǎo)熱帶周圍氮?dú)鉁囟雀绯霈F(xiàn)波動(dòng),氮?dú)鉁囟认陆邓俣雀臁?chǔ)罐內(nèi)液相區(qū)流場(chǎng)波動(dòng)更為劇烈,且渦胞式流動(dòng)現(xiàn)象更加明顯。儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)存。(5)依據(jù)熱力學(xué)“耗散”原理對(duì)儲(chǔ)罐底部液氮大渦旋進(jìn)行解釋。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：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(shì)，在空間應(yīng)用領(lǐng)絕熱防護(hù)上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，效果顯著。相關(guān)試驗(yàn)表明，推進(jìn)多層絕熱防護(hù)后，推進(jìn)劑蒸發(fā)量比采用傳統(tǒng)多層絕熱（MLI）

圖 1.2 氣冷屏復(fù)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(dāng)氣冷屏位于泡沫絕熱材料（SOF-MLI）之間時(shí)，氣冷屏復(fù)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(jī)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(chǔ)罐；12 杜程中，儲(chǔ)罐漏熱主要來(lái)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(xiàn)】

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本文編號(hào)：2780240