氦气作为增压气体排出贮罐内液氢过程的CFD分析

基于计算流体力学方法,数值模拟了用常温氦气作为增压气体压出贮罐内液氢过程的流动和传热传质特性。构建了基于二维轴对称的VOF多相流以及包含氢气和氦气组分流动的气相多组分数值模型,液氢界面相变传质基于Hertz-Knudsen方程计算。分析了排出过程贮罐内压力、温度、液位及液氢相变率随时间的变化,重点考察气相出现在贮罐出口时间,以及此时气相中氦气含量。发现刚开始增压时,高温氦气和低温氢气传热只发生在氦气进口附近,贮罐内压力增加较慢,液氢界面不存在蒸发现象。随着进入氦气增加,贮罐内气相温度逐渐形成分层,在一定时刻,液面上气体温度开始上升,触发沸腾蒸发,导致压力快速增加。由于贮罐出口液体外流导致的减压效应远小于气相空间的压力增速,贮罐压力急剧增加并超过氦气入口,部分低温气体混合物从入口倒流出贮罐,同时使氦气入口处温度降低。由于贮罐内压力增加,底部液氢出口流量随时间呈线性增加。计算结果揭示了液氢贮罐增压流出过程复杂的流动和传热传质特性,对低温液体的储运有实际工程指导意义。     

PET薄膜挤出成型有限元模拟和阻流分析

设计了厚度为0.12mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜衣架式挤出流道,使用有限元软件模拟了聚合物熔体的流动规律,获得了流道内部的压力场、速度场和温度场的分布,分析了阻流设计对流场的影响。研究表明,流道结构对压力分布影响显著,对速度、温度分布影响不明显;流道阻流部分尺寸较小的改变,会引起流道内部熔体压力较大的变化,易导致挤出成型过程的不稳定,从而显著影响产品质量。此外,挤出流量对流场压力分布影响很小。     

气枕压力对液氢贮箱热分层的影响规律

采用CFD技术,对不同气枕压力下液氢贮箱内部物理场进行数值模拟,选择Boussinesq模型解决浮升力的影响.研究表明:气枕压力会对贮箱内部温度场与速度场产生重要影响.箱内流场随气枕压力的增大而明显减弱;气枕压力越大,贮箱顶部与底部区液氢温度越高,而压力对中部区液氢温度的影响随时间发生变化;在近壁区,热边界层厚度及温度分布受气枕压力影响较弱; 边界层速度最大值及出现位置均随气枕压力的升高而降低.     

基于LBM-CA模型的自然对流下液氢中固空枝晶生长模拟

固空沉积是液氢系统的安全隐患之一,为探究自然对流作用下固空颗粒在液氢系统中的形成过程,建立LBM-CA(格子玻尔兹曼—元胞自动机方法)耦合模型模拟空气(氮氧混合物)在液氢中的凝固过程。模拟探究了自然对流作用对固空晶体生长的影响,模拟结果表明:自然对流使固空枝晶不再表现为纯扩散条件下的对称生长,迎流侧枝晶生长受到促进,下游由于溶质聚集枝晶生长受到抑制。多晶粒在自然对流条件下生长时,中心晶粒受周围晶粒的影响,生长受到明显抑制。自然对流使溶质分布均匀化,加快凝固速率,减小凝固过程中的峰值浓度,有利于降低液氢系统的安全风险。     

基于仲氢转化的液氢储存过程分析

应用仲氢转化制冷技术,针对液氢无损储存过程,建立液氢储罐中仲氢转化的物理模型,进行液氢储存的流场温度场仿真,研究仲氢转化对液氢储存的影响。分析结果表明,储罐内的液氢经过仲氢转化器后,温度降低,密度增大,有助于罐内液氢自然对流循环的完成。     

非恒定浮升效应下冷氢气扩散特性

建立了描述开敞空间低温氢气扩散行为的三维数值计算模型,综合考虑非恒定浮升效应和大气风场边界层分布,研究氢气与空气的混合对流行为,并分析了气云温度变化对扩散过程的影响。结果表明,低温氢气在开敞空间的扩散过程表现为强制对流主导、强制对流和自然对流共同作用以及自然对流主导3种形式;在混合对流机制支配下,气云内部温度分布不连续,■比值数和云团形状也呈现出一定的周期性特征;在持续泄漏条件下,云团最远距离和最大高度最终达到周期性稳定状态。     

氢的比焓特性对液氢贮罐静态蒸发率测试的影响

介绍了中国现有静态蒸发率测试的标准和适用范围,并对液氢贮罐适用性问题进行了讨论。通过对液氢与液氧、液氮等低温流体热物理特性进行对比和分析,发现氢的比焓特性是制约液氢贮罐在标准适用时的关键影响因素。最后提出了一种可适用于液氢真空多层绝热贮罐的静态蒸发率测试和计算方法。     

液氢温区冷氦增压系统试验研究

针对某型号火箭冷氦增压系统,建设了液氢温区冷氦增压系统试验平台,通过试验得到了冷氦气源压力和温度、冷氦加热器性能、模拟贮箱压力和温度的变化规律.结果表明:低温制冷机组配合高压低温换热贮罐可以真实模拟箭上的冷氦气源;根据对增压过程中贮箱压力的分析表明排气方式可以真实模拟箭上推进剂消耗过程中贮箱压力的变化情况;另外,试验中压力信号器、电磁阀和贮箱工作正常,验证了火箭冷氦增压系统的可靠性.     

液环泵喷射器性能的数值模拟研究及实验验证

本文应用CFX软件及k-ε湍流模型,实现了液环真空泵喷射器三维动传热的数值模拟.并分析喷射器内流场的压力分布、马赫数分布和温度分布,了解其内部的复杂流动,利用仿真结果计算出液环真空泵喷射器在不同压力下引射气体流量的变化,并与实验曲线进行对比验证,为优化喷射器结构,实现喷射器与液环真空泵的最佳匹配提供依据.     

油浸式变压器的全域热网络模型

热点温度是衡量变压器绝缘性能和安全裕度的重要指标,对其进行快速准确计算具有重要的意义。对油浸式变压器内部的产热和传热机理进行了分析,得到自然对流边界层中速度和温度分布与流体普朗特数Pr的关系,考虑到局部自然对流换热系数的沿程变化以及不同区域传热特性的差异,对油浸式变压器进行了分区分层处理。基于热电类比法定义了多种热阻类型,构建了油浸式变压器的全域热网络模型;通过有限元仿真对比了热网络模型的计算结果。二者所得绕组温度变化趋势相同,热点温度相差约1.9%,热点位置相差约7.7%。相比于有限元仿真,热网络模型在求解时间和效率上更有优势,能够实现油浸式变压器运行状态的在线监测、实时分析和动态评估。     

氢动力车用液氢贮罐的发展现状及展望

综述了随车贮氢技术的发展过程和现状,比较了各种随车贮氢技术的特点,认为液氢贮氢具有重量轻、体积小、安全、加注时间短等突出优点,是氢动力车的首选贮氢方式。介绍了随车液氢贮罐以及液氢充装系统的技术特点,分析了我国目前液氢贮罐的制造能力、技术现状以及今后的发展方向。     

微重力下低温液氧贮箱热分层研究

为研究微重力下,在轨运行低温液氧箱体内部流体温度场分布,建立了相关数值模型,考虑了气液相变以及各空间辐射热流的影响。计算结果表明:当g为0 g_0时,表面张力驱使液相包裹气枕,并将球形气枕挤出壁面。由于箱内没有自然对流,箱体壁面流体会出现局部过热。当g增加到10~(-6)g_0时,表面张力作用仍较为明显。箱体内部物理场分布与0 g_0工况大致相同。当g增加到10~(-5)g_0时,液相已不能完全包裹气相,气相区一直与箱体顶部接触。当g增加到10~(-4)g_0时,此时箱体内部自然对流已十分明显,气相区大致呈带状,并与顶部壁面有较大的接触面积。短时间内,自然对流可及时将外部漏热带入箱体内部。另外,箱体压力随时间增长呈先降低后逐渐升高的趋势。重力越小,箱体压力也越小。最后通过对比还发现,初始边界条件设置对箱体内部物理场有较大的影响。     

新型扁平绕带式低温高压容器设计研究

介绍用作液氢贮罐等场合的扁平绕带式低温高压容器的设计理论与方法,提出了一只10m^3液氢贮罐计算实例我。该种低温高压容器结构合理,安全可靠、制造简便,是一种优化的低曙高压容器。     

厚板控冷过程中温度变化模拟及冷后组织与性能分析

建立了一个预测轧后控制冷却过程中钢板内部温度变化的数学模型,并将此模型应用于特定的厚板轧后控制冷却生产线,该控冷生产线采用管层流冷却方式.本模型考虑了辐射、自然对流、强制对流及稳态膜沸腾对冷却过程中钢板内部温度变化的影响,通过比较实测温度和计算温度确定了模型的准确性.对控冷后钢板厚度方向不同位置的组织和性能进行了详细分析.     

高压低温换热贮罐换热性能仿真计算

设计了一种高压低温换热贮罐,配合斯特林制冷机可用于获取和贮存20 K@35 MPa冷氦气,在无液氢的情况下具备液氢温区试验能力,以满足液体火箭冷氦增压系统实验的气源要求。对该贮罐进行了漏热分析,得到贮罐漏热量。采用Solidworks和Matlab对预冷过程和换热过程进行仿真计算与分析,得到预冷时间和换热时间分别为3小时和47小时。     

液氢密度调节系统实验研究

建立了一套液氢密度调节装置,并进行了多次低温试验,验证了该装置能够使得液氢密度在50—80 kg/m~3范围变化,具备精确调节液氢密度的能力;并对试验过程中的液氢温度、压力等数据进行了分析,获得了该调节装置和测量系统的不确定度;试验结果表明采用液氢过冷和增压相结合的方式可以对液氢密度进行准确控制,为电容式密度传感器的校准提供所需密度环境,突破了传统的常压单一密度点校准。     

强化管外传热对压力波制冷机制冷性能的影响

采用理论与实验相结合的方法,研究了强化压力波制冷机管外传热状况对其制冷效率的影响。研究中采用定量方法对振荡管外壁首次以风冷方式强化传热,对比自然对流条件下研究制冷性能的变化。结果表明:提高管外内温度比α和增大排气压力管内压力比β都能使总制冷效率η变大;强化管外传热风冷却方法可使制冷效率提升8%~10%,效果明显优于原来的自然对流条件下制冷效率,且短管效果明显好于长管,但提升效果受管长、介质流量等诸多因素影响且效果有限;相比自然对流,强化管外传热能在极大程度上稳定振荡管制冷效率曲线,扩大压力波制冷机高制冷效率下平稳运行的射流频率f范围,促使最佳射流频率f降低10~15Hz,并使制冷效率曲线峰值前移,从而以较低转速达到最大制冷效率,有效降低系统总能耗并提高机器寿命。     

自然对流对泡沫金属复合相变储能的影响实验研究

制作了四面绝热的泡沫金属/石蜡复合相变储热装置,在不同功率密度下分别对存在自然对流和不存在自然对流两种情况下装置的固-液相变储热过程进行了对比实验研究.整理绘制了在不同加热功率下的温度-时间曲线,并采用常热流边界条件下半无限大物体熔化过程的数学解对实验件受热面温度进行了模拟,结果表明在大功率密度情况下从底部加热会形成较为明显的自然对流,并且自然对流的存在增强了储热装置的内部传热,储热效率提高为原来的1.38倍,在5000W/m2功率下热源最大温度比原来低26℃.     

平板太阳能集热器性能化实验研究

平板型太阳能集热器是太阳能集热器的一种,世界各国都普遍使用。平板型太阳能热水器在提供生活热水及供热采暖中具有广泛的市场应用。平板型太阳能集热器具有节能、高效、易于加工,应用广泛等特点。根据平板集热器内腔体的自然对流研究可以设计出适合不同地区平板型太阳能集热器。平板型太阳能集热器板材选定后,如何减少透明盖板与吸热板之间的对流换热,提高集热器的效率,是集热器设备所需要解决的技术问题。本文采用实验方法测试了西安市气候条件下平板型集热器集热情况,实测了平板型集热循环及透明盖板表面的温度。参考实验测试数据,研究了实测壁温,已知的集热器倾角与厚度条件下,集热器空气层热分布情况。结合CFD数值模拟集热器内空气夹层的对流换热状况,分析了集热器内部空气夹层内温度、速度场分布情况。得出在西安地区平板型集热器适当的倾角情况下,集热器空气夹层内自然对流换热状况,以及集热器温度场与速度。     

板式热沉温度均匀性仿真研究

热沉在空间环境模拟设备中用来模拟空间的冷黑环境。对板式热沉流体分布与温度均匀性进行了仿真研究,使用气氮作为工质,研究了壁板间距以及氮气压力、流速对流体分布的影响。采用计算流体力学的方法,对流场进行了数值模拟和分析研究,获得了壁板间距、氮气压力和流速对热沉温度均匀性的影响规律。