不同激励幅值下液态甲烷贮箱增压过程压力波动特性研究_袁晨.pdf

2023 年第 1 期总第 251 期低温工程CRYOGENICSNo.1 2023SumNo.251不同激励幅值下液态甲烷贮箱增压过程压力波动特性研究袁晨1,2金滔1,2魏健健1,2(1浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027)(2浙江省清洁能源与碳中和重点实验室杭州 310027)摘要:通过动网格模型与 VOF 模型的耦合,建立了晃动激励工况下液态甲烷贮箱增压排放过程三维计算模型。针对一直径为 1.0 m,筒段长度为 2.0 m 的液态甲烷贮箱,研究了不同激励幅值下贮箱气枕压力变化特性,并对环形防晃板的控压性能进行评估。结果表明:对于激励幅值为 0.020 m和 0.025 m 的工况,液面未出现破碎现象,气枕压降曲线较为平稳。添加防晃板后,液面发生破碎,气枕压降曲线产生明显波动。当激励幅值达到 0.030 m 和 0.035 m 时,液面发生破碎,气枕能量占比显著降低,气枕压力出现大幅下降。防晃板的添加可有效减缓气枕压力的下降。关键词:液态甲烷增压排放激励幅值防晃板压力波动中图分类号:TB657,TB663文献标识码:A文章编号:1000-6516(2023)01-0013-07收稿日期:2022-10-26;修订日期:2023-02-09基金项目:中央基本科研业务费浙江大学创新团队专项(2022FZZX01-09)。作者简介:袁晨,男,26 岁,硕士研究生。通讯作者:魏健健,男,34 岁,副教授。Pressure fluctuation characteristics of pressurized process of liquidmethane tank under different excitation amplitudesYuan Chen1,2Jin Tao1,2Wei Jianjian1,2(1Institute of Refrigeration and Cryogenics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)(2Key Laboratory of Clean Energy and Carbon Neutrality of Zhejiang Province,Hangzhou 310027,China)Abstract:VOF model and Dynamic Mesh model were combined to establish a three-dimen-sional model for simulating the pressurized discharge process of liquid methane tank under slos-hing excitation.The ullage pressure variation characteristics of the tank with a diameter of 1.0 mand a cylinder length of 2.0 m under various excitation amplitudes were studied and the pressurecontrol performance of anti-sloshing baffle was evaluated.The results show that no fragmentationoccurs on the liquid level and the pressure drop curve of the ullage is relatively smooth under the0.020 m and 0.025 m excitation amplitudes.Upon adding an anti-sloshing baffle,the liquid levelis broken and the pressure drop curve of the ullage fluctuates significantly.When the excitationamplitude reaches 0.030 m and 0.035 m,the ullage is excessively cooled due to the breaking ofthe liquid level,and the energy ratio of ullage decreases significantly,which can induce an obvi-ous drop in the ullage pressure.The addition of anti-sloshing baffle can effectively slow down thedrop of ullage pressure.低温工程2023 年Key words:liquid methane;pressurized discharge;excitation amplitude;anti-sloshing baf-fle;pressure fluctuation1引言随着运载火箭商业化进程的加快,液态甲烷火箭因其无毒、无污染、成本低、可重复使用等优点得到了越来越多的关注1-2。在火箭飞行过程中,随着液态甲烷的排出,气枕压力逐渐降低,为了保证贮箱结构稳定,避免发动机泵处发生空化现象,需要引入增压气体来维持气枕压力在一定范围内3。增压气体进入贮箱后会与贮箱壁面及液态甲烷发生复杂的传热传质过程。此外,在火箭飞行过程中,推进剂不可避免地会受到不同程度的晃动激励影响,可能会造成气枕压力的剧烈波动。因此,在贮箱增压排放过程中考虑晃动激励的影响,对火箭增压系统的设计具有重要意义。贮箱增压过程关乎火箭的安全运行,从 20 世纪开 始,相 关 学 者 开 展 了 大 量 研 究。Van Dresar等4实验研究了液氢贮箱的增压排放过程,分析了排放时间对增压气体需求量的影响。结果表明,当排放时间较短时,增压气体需求量随着排放时间的延长有所增加;当排放时间足够长时,增压气体需求量趋于稳定。Ludwig 等5分别使用氮气和氦气对液氮贮箱进行增压实验,研究了增压气体及其温度对所需气体需求量的影响。结果表明,随着气体温度的升高,增压气体需求量随之下降,使用氦气增压 则 可 以 有 效 减 小 增 压 气 体 需 求 量。Wang等6-7分别用实验和数值计算的方法,开展了液氧贮箱增压排 放研究。结果 表 明,增 压 气 体 能 量 的59.0%被壁面吸 收,气枕能量 占比仅有 22.0%24.0%,气动加热对气枕压力变化的影响则可以忽略。Joseph 等8数值研究了保温层厚度对液氢贮箱压力演化和液氢热分层的影响。研究发现,保温层厚度减小会导致液氢热分层质量增大,气枕压力上升。Zhou 等9研究了液氢贮箱因热泄漏引起的自增压过程,分析 了气枕压 力对液氢蒸 发速率的 影响。结果表明,整个蒸发过程经历了压力上升、液位不变和稳定蒸发等 3 个阶段。气枕压力与液位不变阶段的持续时间呈线性相关,但对压力上升和稳定蒸发阶段的持续时间则没有影响。在液体晃动方面,国内外学者也进行了大量研究。Ludwig 等10实验研究了液氮贮箱在周期性侧向激励下气枕压力变化过程。研究表明,在施加晃动激励后,气枕压力迅速降低。在液面混合层形成后,气枕压力逐渐趋于稳定。Gurusamy 等11为了解浅水非线性晃动现象,在不同激励振幅和频率下,针对不同长宽比、不同水深的水箱进行了实验测试。结果表明,对于长宽比值较大的水箱,在高激励振幅下,随着激励频率的增高,浅水晃动响应依次形成平面驻波、平面行进波、水跃、孤立波。Mitra 等12采用有限元法分析了矩形、圆柱形和梯形容器内晃动问题,发现梯形容器相较于其他容器液面晃动幅度最小,而且随着斜壁倾斜度的增大,晃动波幅值显著下降。Sham-soddini 等13开发了不可压缩光滑粒子法来研究浅水晃动问题,分析了垂直挡板对液体晃动阻尼的影响,发现增加挡板数量可以有效减弱液体晃动程度。Liu等14采用 VOF 模型与网格运动模型,分析了前三阶固有频率下的液氢晃动情况,发现晃动力和力矩的波动幅度随固有频率的增高而增大,而且在一阶固有频率下的液面波动明显。综上所述,对火箭贮箱增压过程的研究已取得诸多进展。然而,以往研究往往忽略了外在晃动激励的影响,而关于液体晃动的研究则主要关注液体的晃动动力学过程,且在一定的充液率下进行。本研究拟建立晃动激励工况下液态甲烷贮箱增压排放过程三维计算模型,采用动网格模型对贮箱施加一定的晃动激励,使用 VOF 模型来捕捉液面的变化过程,并使用 Lee 模型来分析贮箱内气液相变的影响。在保持激励频率不变的情况下,着重分析不同激励幅值对贮箱气枕压力波动的影响,并评估环形防晃板的有效性。2数值计算模型2.1物理模型和边界条件图 1 为液态甲烷贮箱物理模型示意图。贮箱的直径 D 为 1.0 m,筒段长度 L 为 2.0 m,封头高度 l 为0.3 m,消能器直径 d 为 0.16 m,壁面厚度为 lw为3.5 10-3m。为减少计算量,取贮箱模型的一半进行计算,将 x=0 的平面设为对称面,坐标原点位于贮箱出口处。初始时刻,贮箱压力为 0.45 MPa,液相推进剂温度为 112 K,气枕温度沿贮箱高度方向线性 分 布(134200 K),增 压 气 体 入 口 温 度 为41第 1 期不同激励幅值下液态甲烷贮箱增压过程压力波动特性研究300 K,入口流量为 0.028 kg/s,出口甲烷推进剂流量为 2.38 kg/s。图 1液态甲烷贮箱示意图Fig.1Schematic diagram of liquid methane tank2.2数学模型增压气体进入贮箱后,会与贮箱壁面及推进剂进行传热传质。基本控制方程为:连续性方程t+(v)=Sm(1)动量方程t(v)+(vv)=-p+(v+vT)+g+F(2)能量方程t(E)+(v(E+p)=(T)+Sh(3)式中:为密度,kg/m3;v为速度矢量,m/s;Sm为质量源项,kg/(m3s);p 为压力,Pa;为有效导热系数,W/(mK);Sh为能量源项,J/(m3s)。采用 Lee 模型来描述气液相之间的相变过程,质量源项 Sm及能量源项 Sh分别为:Sm=revall(Tl-Tsat)/Tsat,Tl Tsatrconvv(Tv-Tsat)/Tsat,Tv Tsat(4)Sh=SmL(5)式中:r 为弛豫时间参数;Tsat为饱和温度,K;T为流体温度,K;L 为汽化潜热,J/kg。采用 VOF 多相流模型来实现液面的捕捉。在该方法中,每个网格内各相体积分数之和为 1。能量 E是各相能量的质量加权平均值:E=nq=1qqEqnq=1qq(6)模拟中的湍流模型采用 SST k-模型,k 和 的输送方程分别为:t(k)+xi(kui)=xjkkxj()+Gk-Yk+Sk+Gb(7)t()+xi(ui)=xjxj()+G-Y+D+S+Gb(8)其中,模型常数 k,1=1.176,1=2,k,2=1,2=1.168,a1=0.31,i,1=0.075,i,2=0.082 8。根据航天工业标准 QJ 2054-91液体晃动实验方法和 QJ 2117-91地-地导弹、运载火箭液体推进剂晃动设计规范,通过动网格模型对贮箱施加 Y 方向的位移激励:y=Atsin(2ft),t 5 s(9)式中:A=0.2B,m/s;B 为激励幅值,m;f 为激励频率,取值 1.3 Hz。2.3网格独立性检验和模型验证在 Fluent Meshing 中对计算域进行多面体网格划分,采用网格自适应对气液界面附近进行加密。选择数量分别为 153 142、225 763 和 311 740 进行网格独立性检验,结果如图 2 所示。比较气枕压力变化可以发现,网格数量分别为 225 763 与 311 740 的计算结果 相 对 误 差 小 于 1%。最 终 选 择 网 格 数