液氢缩比贮箱蒸发特性数值模拟及实验验证

地面缩比贮箱用来模拟箭载液氢贮箱热物理过程及运行特性，包括筒段和壳段，壳段用于支撑筒段。筒段和部分壳段使用泡沫绝热，壳段结构部分裸露在环境中，成为液氢贮箱的主要漏热源。基于计算流体力学方法数值研究了液氢缩比贮箱蒸发特性，构建了基于VOF两相流模型以及Level-set界面跟踪方法的贮箱两相氢流动和相变传热传质数学框架，其中气液界面传质率基于Lee模型计算。框架中的系数、边界条件等作如下考虑：Lee模型中的液化/蒸发系数通过与实验数据对比获得；通过理论分析低温面有/无泡沫保温层的结冰特性，对暴露在环境的泡沫和铝壳表面施加对流换热或常热流边界条件；当贮箱压力达到约2个大气压(0.2 MPa)时，安全阀打开放气保持内部压力不变，基于自定义函数方法模拟阀门开闭实现控制贮箱压力的目的。与实验测量的液位下降速率和气相温度非稳态变化对比表明，构建的数值模型能够较好地模拟液氢贮箱自增压过程的复杂流动、相变传热传质特性。为模拟真实箭载液氢贮箱停放阶段的热物理过程打下基础。     

液氢缩比贮箱蒸发特性数值模拟及实验验证

地面缩比贮箱用来模拟箭载液氢贮箱热物理过程及运行特性,包括筒段和壳段,壳段用于支撑筒段。筒段和部分壳段使用泡沫绝热,壳段结构部分裸露在环境中,成为液氢贮箱的主要漏热源。基于计算流体力学方法数值研究了液氢缩比贮箱蒸发特性,构建了基于VOF两相流模型以及Level-set界面跟踪方法的贮箱两相氢流动和相变传热传质数学框架,其中气液界面传质率基于Lee模型计算。框架中的系数、边界条件等作如下考虑:Lee模型中的液化/蒸发系数通过与实验数据对比获得;通过理论分析低温面有/无泡沫保温层的结冰特性,对暴露在环境的泡沫和铝壳表面施加对流换热或常热流边界条件;当贮箱压力达到约2个大气压(0.2 MPa)时,安全阀打开放气保持内部压力不变,基于自定义函数方法模拟阀门开闭实现控制贮箱压力的目的。与实验测量的液位下降速率和气相温度非稳态变化对比表明,构建的数值模型能够较好地模拟液氢贮箱自增压过程的复杂流动、相变传热传质特性。为模拟真实箭载液氢贮箱停放阶段的热物理过程打下基础。     

运载火箭共底贮箱加注过程非稳态温度分布数值模拟

以液氧和煤油为推进剂的新一代运载火箭,承力式共底贮箱结构一方面可以缩短整个运载器长度,改善运载器长径比,二能取消液氧贮箱与煤油贮箱间的箱间段,减轻结构质量。但要求共底夹层需要良好的隔热性能,同时承受煤油箱和液氧箱双向压力载荷。获得加注过程共底夹层的温度非稳态分布是分析夹层隔热和应力性能的基础。基于CFD方法,模拟了液氮加注过程,共底贮箱包括液氮贮箱和煤油贮箱以及共底夹层,从室温到加注完成的非稳态温度分布。数值模型考虑了贮箱表面可能结冰时的热边界条件变化以及由于壁面漏热导致的液氮/氮蒸气相变蒸发。为了防止煤油局部温度过低,重点分析了叉形环处包裹或未包裹PMI绝热材料对煤油温度场和液氮蒸发率的影响。计算结果表明,叉形环处包裹绝热材料时在自然蒸发阶段煤油局部最低温度小于240 K,而未包裹绝热材料时局部最低温度大于260 K,满足设计要求。仿真结果为液氧和煤油共底贮箱的优化设计提供参考。     

液氢贮箱热力学排气系统建模及控压特性

以低温推进剂液氢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液氢贮箱在地面工况充注率75%、漏热量0.76 W·m~(-2)为例,计算了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,气枕升压速率远大于液体温度对应的饱和压力的升压速率;TVS运行后可将贮箱压力有效地控制在165.5~172.4kPa范围内。对比了混合与排气两种不同运行模式下贮箱气枕的升降压特性,发现排气模式下的气枕降压速率为混合模式的7倍,升压速率为混合模式的95%。同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律。     

液氢贮箱热力学排气系统建模及控压特性

以低温推进剂液氢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18.09 m³液氢贮箱在地面工况充注率75%、漏热量0.76 W·m^-2为例,计算了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,气枕升压速率远大于液体温度对应的饱和压力的升压速率;TVS运行后可将贮箱压力有效地控制在165.5~172.4 kPa范围内。对比了混合与排气两种不同运行模式下贮箱气枕的升降压特性,发现排气模式下的气枕降压速率为混合模式的7倍,升压速率为混合模式的95%。同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律。     

塔板上流型变化对板效率影响的计算传质学

利用能够描述塔板上气液两相错流过程的流体力学模型,建立了同时模拟气液两相流动与传质过程的数学模型;通过对气液两相传质方程和流体力学模型方程的联立求解,计算得到了塔板上液相速度分布和气液两相浓度分布的数值解,考察了气相完全混合和气相部分混合两种条件下塔板上的气液两相浓度分布,同时考察了气相完全混合时流型变化对塔板效率的影响.     

T型通道内气液两相流相分离研究进展

回顾了气液两相流在T形处相分离研究的起因,阐述了对其研究的意义。从实验研究方面着重介绍了不同因素对T型通道内气液两相流相分离的影响。在模型研究方面,介绍了目前为止的3种模型化方法,简单阐述利用数值模拟(CFD)方法研究气液两相流相分离的情况,指出了T型通道内气液两相流相分离的研究难点,并且对该领域今后的主要研究方向进行了展望。     

煤制合成气气液两相流管道布置探讨

根据煤制合成气低温甲醇洗工序气液两相流管线的特点,探讨了本工序在不同情况下气液两相流管线的管道布置原则及主意事项。     

低温气液两相流中Taylor气泡的合并

在自建的低温气液两相流实验平台的基础上,通过高速相机获得16 mm内径管路中30o~90o倾角下Taylor气泡之间的合并过程. 结果表明,已有的常温气液两相流中Taylor气泡的合并公式普遍高估了跟随气泡和领先气泡的速度比,与实验结果的最大误差为14.6%,对低温气液两相流不再适用. 新建的Taylor气泡合并过程速度拟合公式可将最大误差减小至4.7%. 此外,气泡间最小稳定距离在60o倾角附近最小,此时气泡间合并趋势最弱.     

气井井筒气液两相环雾流压降计算研究

在气井井筒气液两相环雾流压降计算的过程中需要积极应用雷诺相似原理,构建相应的气液两相环雾流压降计算模型,对气液两相模拟实验进行科学设计,其主要目的是对气液两相环雾流特征进行详细研究,在模型构建的基础上,对气井井筒气液两相环雾流压降做出科学计算。     

Flow and particle motion in scraped heat exchanger crystallizers

Turbulent fluid flow and related solid particle behaviour in the direct vicinity of the heat exchanging (HE) surface of a scraped heat exchanger crystallizer was studied. The liquid flow is visualized by dye injection and the particles are monitored directly for two types of commonly used scraper geometries. In conjunction with this experimental work, we performed direct numerical simulations of the two-phase (solid-liquid) flow system. Our main goal is the design of scraper geometries that enhance heat transfer by perturbing the thermal boundary layer, and effectively scrape off particles that nucleate, grow and adhere onto the HE surface. Also the turbulent flow generated by the moving scrapers should direct the particles into the bulk of the tank. The experiments and simulations show good qualitative resemblance which enables the design of scrapers based primarily on numerical predictions.     

Prediction of the Size of Aluminum-Oxide Particles in Exhaust Plumes of Solid Rocket Motors

The processes of coagulation and aerodynamic fragmentation of liquid particles of aluminum oxide in an accelerating gas flow in the Laval nozzle are analyzed. A formula obtained by an approximate analytical solution of equations of a two-phase flow is proposed to calculate the characteristic particle diameter at the nozzle exit. The limiting particle diameter in the nozzle throat calculated theoretically is close to the mean-mass diameter obtained by numerical simulation of polydisperse two-phase flows with particle coagulation and fragmentation. The formula proposed is in agreement with Hermsen's correlation dependences and is confirmed by numerous published data on measurement of the mean-mass diameter of aluminum-oxide particles in exhaust plumes of small-, medium-, and large-scale solid rocket motors. The formula contains physical parameters whose values are readily calculated and prescribed. The formula is tested by all the parameters that enter into it. Based on a comparison of theoretical calculations and numerous experimental data, the formula is recommended for prediction of the size of aluminum-oxide particles in exhaust plumes of various types of solid rocket motors. Key words: rocket motor, two-phase flow, aluminum oxide, fragmentation of drops.     

节流前过冷度和压力对液氮节流特性的影响

节流在普冷领域应用广泛。其在基于林德循环、克劳德循环等低温液化循环、焦汤氦制冷系统、低温推进剂热力排气系统中也都有涉及。为了深入揭示低温流体相比室温气体的节流特殊性,设计并搭建了一套低温流体气液两相节流可视化试验系统。针对渐缩渐扩管型的节流元件,分析了节流前过冷度和压力对液氮节流特性的影响。研究表明：节流前压力一定,节流后温降及气相质量分数随节流前过冷度增加而增加;节流前过冷度一定,节流后温降及气相质量分数随节流前压力增大而增大;增大节流前压力,减小节流前过冷度,会减少节流后流体的单位质量制冷量。     

测定两相流动体系中局部相体积分率用阻抗探针仪的研制和应用

研制了应用于气/液和液/液两相流动体系中测定局部相体积分率的阻抗探针仪。该仪由方形波发生器、同轴电缆探头、数据采集卡和电脑信号处理系统组成。利用煤油/水两相流动体系进行实际测定,结果表明此项技术对分辨两相敏感,测试结果在非乳液体系中可靠,可用于气液、液液两相流的局部相体积分率的在线测量。     

陶瓷过滤器脉冲反吹系统引射性能的实验测定(Ⅰ)──喷吹气体流量的测定和分析

采用热线风速仪测量陶瓷过滤器脉冲反吹喷嘴出口的流场得到了喷吹气体流量，分析了喷吹压力和脉冲宽度对喷吹气体流量的影响。实验结果表明，喷吹气体流量随喷吹压力的增加而显著增加，而脉冲宽度的增加对喷吹气体流量的影响较小，只是增加了气体喷吹持续时间。同时证明由热线风速仪测得的一次脉冲反吹的压缩气体耗量与将储气罐排气过程简化为绝热排气过程所计算出的结果非常吻合，推荐采用绝热排气过程估算压缩气体耗量。     

中低温煤焦油制备火箭煤油研究

以陕北中低温煤焦油<360℃的馏分油为原料,NiMo/Al2O3为催化剂,在实验室小型固定床反应器上进行加氢试验。考察反应温度、反应压力和空速对产品收率及性质的影响,结果表明,较高的反应温度和反应压力及较低空速有利于提高加氢产品油中火箭煤油收率。将所得加氢产品油中(192~255)℃馏分作为火箭煤油产物进行检测分析,各项指标均满足GJB8087-2013(液体火箭发动机用煤油安全应用准则)要求。以煤焦油为原料制备煤基火箭煤油,不仅为煤焦油的综合利用提供了新途径,同时拓宽了火箭煤油的生产来源。     

一种有效的潜热储能球床放热性能的数值分析方法

针对潜热储能床的数值计算,研究了现有多孔介质模型应用于该问题模拟时的不足, 提出利用等效显热容处理相变问题的方法,并将其应用于潜热储能床放能过程的数值模拟中,这样使模型得到极大简化,并且较其他模型能更全面地反映储能床中的相变换热与换热流体流动的信息。将数值计算的结果与实验数据进行了对比,两者吻合很好。同时,通过对储能床中的温度分布及换热流体的流场分析, 探讨了影响潜热储能床放热特性的因素。     

第三流体在冷却通道内流动换热数值研究

以某液氧煤油火箭发动机冷却系统设计计算为基础,基于计算流体力学(CFD),并采用三维流固耦合算法对以水作为第三流体的冷却循环系统进行了计算和分析。比较了冷却剂入口温度、流量和冷却通道内压力损失等因素对冷却通道内流动换热的影响。结果表明:冷却剂流量增加0.01kg/s,推力室壁面整体温度和喉部温度降低分别降低9K和15K左右,冷却剂出口干度降低0.011左右;当冷却剂流量较低时,入口温度变化对换热效果几乎无影响,而当冷却剂流量较高时,入口温度每增加10K,冷却剂出口干度增加0.009左右;冷却剂流量每增加0.01kg/s会导致冷却通道压力损失增加54kPa左右;入口温度每增加10K,冷却通道压力损失将减少24kPa左右。由此,本文得出冷却剂流量的最佳范围12~14.4kg/s,入口温度的范围为300~350K。