引射循環預冷回流低溫貯箱流動與傳熱特性研究

陳士強，范瑞祥，張曙輝，黃 兵，黃 輝

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

引射循環預冷回流低溫貯箱流動與傳熱特性研究

陳士強1，范瑞祥2，張曙輝1，黃 兵1，黃 輝1

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

運載火箭貯箱內部流動與傳熱特性與火箭息息相關，中國新一代運載火箭氧系統普遍采用引射循環預冷技術。介紹了低溫動力系統引射循環預冷過程中低溫貯箱內涉及到主要物理過程，采用基于自由界面追蹤的VOF模型，研究了引射循環預冷回流低溫貯箱內氣液兩相流動與傳熱特性。結果表明：地面狀態循環回流氣液兩相流對貯箱內相分布、溫度、壓力和速度具有顯著影響，并進一步討論了引射循環預冷工程優化原則，為相關工程應用提供指導。

引射循環預冷回流；低溫貯箱；流動；傳熱

0 引 言

貯箱是運載火箭重要結構件和推進劑貯存裝置，其內部流動與傳熱特性與運載火箭息息相關。中國新一代運載火箭氧系統普遍采用了引射循環預冷技術。在低溫動力系統引射循環預冷過程中，貯箱通過輸送管向發動機系統輸入低溫推進劑，經過高溫管路、泵等組件后，低溫推進劑（包含蒸發形成的氣態推進劑和引射氣體）回流至貯箱內，并與原有推進劑相互作用，影響貯箱內流動與傳熱。在引射循環預冷進行過程中，貯箱內涉及到低溫推進劑復雜氣液兩相流動與傳熱過程，主要包括低溫推進劑溫度分層、貯箱內引射氣體運動、回流氣液混合物與貯箱內推進劑傳熱傳質作用、低溫推進劑與氣枕接觸面的相變與換熱、氣枕壓力變化與溫度分層等。

Han[1]、Panzarella[2]等對氦引射循環預冷過程低溫貯箱內的氣液兩相流動和傳熱特性進行了分析，為后續工作奠定了基礎；Cho等[3,4]采用基于一維、平衡傳質非平衡傳熱模型研究了引射氦氣進入液氧貯箱后系統的溫度特性，為引射循環預冷工程應用提供了有益的指導，然而該模型在流動與傳熱細節分析方面仍存在不足；文獻[5]介紹了在低溫動力系統引射循環預冷全系統特性研究方面開展的一些工作。本文構建了一種二維引射循環預冷回流低溫貯箱內氣液兩相流動與傳熱特性模型，分析了地面狀態循環回流氣液兩相流對貯箱內相分布、溫度、壓力和速度的影響，力求從更多細節加強對引射循環預冷的規律性認識，為相關工程應用提供參考。

1 模型構建

1.1 幾何模型與網格劃分

貯箱計算模型采用二維模型[6]，軸向長度設定為12.8 m，筒段內徑為Φ2.3 m，上、下橢球底高0.7 m。推進劑輸送管位于下底中心位置，內徑為Φ0.22 m；預冷回流管內徑為Φ0.042 m，與貯箱接口位于下底弧段中心位置并平行于法線方向。圖1為貯箱二維幾何模型及網格劃分。

1.2 計算模型與初始邊值條件

引射氣體為氦氣，貯箱內低溫推進劑為液氧，計算模型為基于自由界面追蹤的VOF方法，包含液氧與氧氣之間的相變傳質過程，采用FLUENT 6.3.26計算平臺。

1.2.1 基本假定

a）工質為牛頓流體，氣態推進劑可壓縮；

b）氣液之間存在熱相變，忽略不可冷凝氣體（如氦氣）在低溫推進劑中的溶解；

c）貯箱內氣液兩相流動過程中存在較為明顯的連續相界面。

1.2.2 控制方程

a）基本控制方程。

整體質量守恒方程：

式中 ρ為密度；u為速度矢量；Sm為源項，包括從分散的二級相中加入到連續相的質量（如液滴的蒸發）和自定義源項。

j相質量守恒方程為

j=1ijm˙ji分別為i相向j相和j相向i相的質量傳遞。

動量守恒方程在慣性（非加速）坐標系中i方向上的表達式為

式中 μ為粘性系數；I為單位張量。

能量守恒方程為

式中 e為比內能；keff為有效熱傳導系數；T為溫度；Sh為源項。

b）附加方程。

附加方程包括狀態方程和比內能方程：

式中 R為理想氣體常數；H為比焓。

c）表面張力方程（微重力工況需特別考慮）。

表面張力選擇Brackbill提出的連續表面張力（Continuum Surface Force，CSF）模型，作為動量方程的一個源項。

d）不可冷凝氣體方程。

對于存在3種流體的系統，如液氧、氧氣和氦氣，需添加混合氣中不可冷凝氣體體積含量的控制方程：

式中ncρ為不可冷凝氣體密度；Dnc為不可冷凝氣體擴散系數。同時，不可冷凝氣體對蒸汽的分壓、傳熱和混合氣體的物性存在一定影響。

e）界面追蹤方程。

在整個流場中定義函數F，在每個劃分的網格中，F為流體體積與網格體積之比，滿足如下方程：

式中 當F=1時，網格中充滿某種流體；F=0時，網格內不含流體；在流體界面處0＜F＜1。模擬中需要求出每個網格中的F值，然后構造出運動界面形狀。

f）湍流控制方程。

湍流控制方程可由-kε標準模型計算得出：

1.2.3 初始邊值條件

貯箱內液氧初始高度為11.0 m，氣枕組分為氧氣；推進劑出流口為質量流量邊界，預冷回流口為速度邊界，貯箱頂端氣枕排氣口為壓力邊界；壁面為自然對流邊界，換熱系數為1.0 W/（m2?K），是結合工程經驗及保溫層后的折算系數；氣枕初始壓力為0.12 MPa。

氦引射循環預冷回流貯箱模型典型參數設定為：推進劑出流口邊界為1.0 kg/s的純液氧，溫度91.8 K；預冷回流口邊界速度為2.8 m/s，方向沿邊界法向，溫度96.5 K，液氧體積分數25%，氦氣體積分數20%。

2 分析與討論

2.1 典型特性分析

圖2～6分別給出了氦引射循環預冷回流貯箱內不同時刻氧氣體積分數、氦氣體積分數、速度、溫度和壓力分布。

t=15 s時，氦引射循環預冷回流貯箱內的流線和溫度場分布情況如圖7所示。

氦引射循環預冷回流貯箱內主要流動與傳熱具有如下特點：

a）貯箱推進劑出流口預冷流速對貯箱內傳熱和流動過程影響非常微弱；氦引射循環預冷系統起動后，氣液兩相流逐漸從回流口管路進入貯箱，貯箱內部各參數初始處于微弱擾動狀態。

b）隨著預冷的進行，高速回流氣液混合物進入貯箱并與液氧進行劇烈的動量交互而降速；受到自身重力影響及上層液氧、貯箱壁面的阻礙作用，回流推進劑帶動周圍液氧一方面沿回流入射方向流動，另一方面向箱底下沉形成逆時針環流；環流帶來貯箱底部液氧壓力的波動并影響回流推進劑的入射方向，使其逐漸靠近回流口附近的壁面形成沿壁面向上的回流氣液兩相射流；而入射方向的改變促進了環流的擴大，使環流涉及的范圍越來越廣，同時破碎的氣泡受到浮力作用開始上浮，進一步促進了環流的發展，最終形成環繞整個貯箱內部貼近箱壁的大環流，且頂部速度高于底部，大環流內部受到氣液兩相混合作用和湍流擾動形成多個復雜的無規則小環流。

c）在組分特性方面，預冷回流的氣體速度較高，與液氧進行劇烈摻混后破碎為大量小氣泡，分散在液氧中的大量氧氣無法迅速完成換熱和冷凝過程，仍以氣態形式存在，引起貯箱液面一定程度的升高和波動，氦氣的進入進一步加劇了貯箱內組分分布的混亂程度（對于不同的預冷回流口邊界條件，貯箱內組分情況會有明顯差異）。

d）在溫度特性方面，高溫回流氣液兩相推進劑會引起周圍液氧溫度的升高，壁面自然對流換熱和氣枕壓力的升高會進一步惡化貯箱內液氧溫度品質，而液氧的蒸發和氦氣入射對蒸發吸熱的促進作用[1,2]有利于體系溫度的降低，綜合表現為回流口附近的核心區和近壁面區保持較高的溫度，貯箱內大部分區域溫度處于92.5 K左右（見圖7），大環流和小渦流的存在有利于貯箱內推進劑溫度的均勻分布，破壞了可能存在的局部過熱和嚴重的熱分層效應。

e）15 s后箱內流動基本穩定，氣體的不斷逸出引發液面的劇烈波動，同時氣枕和箱內推進劑壓力也會受到影響而有所增加。

與自然循環預冷回流貯箱[6,7]相比，氦引射循環預冷回流貯箱具有不同特性，主要表現在如下幾個方面：

a）由于氣相組分中氦氣的存在，回流混合物密度較小，受浮力影響較大，貯箱內原有液氧對回流混合物沿徑向流動的阻礙作用更為明顯，使得回流混合物在箱內未形成環流時便呈現近似沿軸向向上流動，并且受環流影響更為顯著，回流開始2 s后已在回流口附近形成貼壁面流動。

b）氦氣與氧氣以大氣團和小氣泡的形式混合在一起，受到氦氣低密度影響，混合氣上浮速度較自然循環預冷中純氧氣更快，氣泡在10 s左右便可以到達氣枕，系統內大環流也隨之基本形成。

c）氦氣泡沿壁面上浮后大部分逸出到氣枕中，小部分隨環流重新回流到貯箱中部，受浮力作用未能進入貯箱底層。

2.2 工程優化討論

在工程實際中，氦引射循環預冷開始前系統一般處于自然循環預冷狀態[5]（引射氦氣未注入），氦氣注入后由于回流組分中氦氣的存在，密度降低，強化了貯箱內原有液氧對回流混合物沿徑向流動的阻礙作用，易于近似沿軸向向上流動，環境的自然對流換熱和箭體內部的主動熱吹除對貯箱近壁面處推進劑加熱持續作用，氦引射循環預冷快速回流特性對箱內推進劑溫度品質的提高具有明顯的促進作用；同時氦氣受浮力和環流影響基本不會出現在貯箱底部出流口附近，并且對氧氣上浮起到牽引促進作用，可以較好地規避可能出現的出流推進劑夾氣風險。

氦氣快速通過貯箱內液氧而逸出進入氣枕，如果長時間引射，受貯箱排氣能力限制，氣枕壓力會受到較大影響，對系統穩定性不利，因此需要較大的初始氣枕容積。

射前的大量過冷液氧補加可以進一步提高貯箱推進劑溫度品質，降低體系含氣率?；亓骰旌衔餃囟容^高，受箱內低溫液氧冷卻后溫度會有所降低，同時質量流量很小，對貯箱內推進劑溫度升高影響不明顯。箱內液氧升溫汽化后會吸收汽化潛熱，氦氣的存在會降低氧分壓，進一步促進液氧汽化，引起推進劑溫度降低，利于體系溫度穩定。

氦氣質量流量是影響貯箱內流動與傳熱特性的重要參數：流量偏低會降低引射回流對貯箱內推進劑的摻混作用，不利于推進劑溫度品質提高；流量偏高則增大貯箱排氣能力需求，同時增加出流推進劑加氣的風險；對于基礎級以上的動力系統，過高的氦氣需求增加了結構質量和氦氣用量，不利于運載能力的提高。

引射循環預冷回流氦氣泡的破裂和上浮、貯箱內大環流和局部繞流引起貯箱液面較大晃動，可能進一步引發流固耦合振動，不利于系統穩定，工程研制中需特別考慮。

3 結束語

本文構建了一種二維引射循環預冷回流低溫貯箱內氣液兩相流動與傳熱特性模型，分析了地面狀態循環回流氣液兩相流對貯箱內相分布、溫度、壓力和速度的影響，初步比對引射循環預冷與自然循環預冷回流貯箱特性的不同，結合工程實際分析影響引射循環預冷回流貯箱特性的關鍵因素和優化原則，為工程應用提供參考。

[1] Han V N. Ground pre-pressurization by helium bubbling for cryogenic upper stages[R]. AIAA 2001-3833, 2001.

[2] Panzarella C H, Kassemi M. On the validity of purely thermodynamic descriptions of two-phase cryogenic fluid storage[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2003(484): 41-68.

[3] Cho N Y, Kwon O, Kim Y G, Jeong S K. Investigation of helium injection cooling to liquid oxygen propellant chamber[J]. Cryogenics, 2006(46): 132-142.

[4] 陳士強, 范瑞祥, 黃兵, 黃輝. 運載火箭低溫動力系統注氣式循環預冷過程的AMESim仿真研究[J]. 載人航天, 2014, 20(5): 413-420.

[5] 程向華, 厲彥忠, 陳二鋒. 不同回流位置液體火箭發動機循環預冷回路特性[J]. 推進技術, 2008, 29(6): 646-650.

[6] 陳二鋒, 厲彥忠, 程向華. 液體火箭發動機自然循環預冷回路的數值研究[J]. 航空動力學報, 2009, 24(3): 698-704.

Study on Flow and Heat Transfer Characteristics of Cryogenic Tank with Gas Injection Circulation Precooling Backflow

Chen Shi-qiang1, Fan Rui-xiang2, Zhang Shu-hui1,Huang Bing1, Huang Hui1
(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

The characteristics of flow and heat transfer in the tank of rocket are closely related. The oxygen system of the new generation rocket is widely used the technology of injection circulation precooling backflow. Several main physical processes of cryogenic tank with gas injection circulation precooling for launch vehicle propulsion system are introduced, and the flow and heat transfer characteristics are investigated based on the free surface tracing VOF model. The influences of circulation precooling gas-liquid two-phase backflow to cryogenic tank are analyzed, including phase distribution, temperature variation, pressure fluctuation, and circulation flow velocity. The optimization principles of gas injection circulation precooling engineering application are discussed based on the results of research.

Injection circulation precooling backflow; Cryogenic tank; Flow; Heat transfer

V421.33

A

1004-7182(2017)03-0036-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170308

2016-03-24；

2016-08-22

陳士強（1986-），男，博士，工程師，主要研究方向為運載火箭動力系統總體設計