引射循环预冷回流低温贮箱流动与传热特性研究

陈士强，范瑞祥，张曙辉，黄 兵，黄 辉

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

引射循环预冷回流低温贮箱流动与传热特性研究

陈士强1，范瑞祥2，张曙辉1，黄 兵1，黄 辉1

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

运载火箭贮箱内部流动与传热特性与火箭息息相关，中国新一代运载火箭氧系统普遍采用引射循环预冷技术。介绍了低温动力系统引射循环预冷过程中低温贮箱内涉及到主要物理过程，采用基于自由界面追踪的VOF模型，研究了引射循环预冷回流低温贮箱内气液两相流动与传热特性。结果表明：地面状态循环回流气液两相流对贮箱内相分布、温度、压力和速度具有显著影响，并进一步讨论了引射循环预冷工程优化原则，为相关工程应用提供指导。

引射循环预冷回流；低温贮箱；流动；传热

0 引 言

贮箱是运载火箭重要结构件和推进剂贮存装置，其内部流动与传热特性与运载火箭息息相关。中国新一代运载火箭氧系统普遍采用了引射循环预冷技术。在低温动力系统引射循环预冷过程中，贮箱通过输送管向发动机系统输入低温推进剂，经过高温管路、泵等组件后，低温推进剂（包含蒸发形成的气态推进剂和引射气体）回流至贮箱内，并与原有推进剂相互作用，影响贮箱内流动与传热。在引射循环预冷进行过程中，贮箱内涉及到低温推进剂复杂气液两相流动与传热过程，主要包括低温推进剂温度分层、贮箱内引射气体运动、回流气液混合物与贮箱内推进剂传热传质作用、低温推进剂与气枕接触面的相变与换热、气枕压力变化与温度分层等。

Han[1]、Panzarella[2]等对氦引射循环预冷过程低温贮箱内的气液两相流动和传热特性进行了分析，为后续工作奠定了基础；Cho等[3,4]采用基于一维、平衡传质非平衡传热模型研究了引射氦气进入液氧贮箱后系统的温度特性，为引射循环预冷工程应用提供了有益的指导，然而该模型在流动与传热细节分析方面仍存在不足；文献[5]介绍了在低温动力系统引射循环预冷全系统特性研究方面开展的一些工作。本文构建了一种二维引射循环预冷回流低温贮箱内气液两相流动与传热特性模型，分析了地面状态循环回流气液两相流对贮箱内相分布、温度、压力和速度的影响，力求从更多细节加强对引射循环预冷的规律性认识，为相关工程应用提供参考。

1 模型构建

1.1 几何模型与网格划分

贮箱计算模型采用二维模型[6]，轴向长度设定为12.8 m，筒段内径为Φ2.3 m，上、下椭球底高0.7 m。推进剂输送管位于下底中心位置，内径为Φ0.22 m；预冷回流管内径为Φ0.042 m，与贮箱接口位于下底弧段中心位置并平行于法线方向。图1为贮箱二维几何模型及网格划分。

1.2 计算模型与初始边值条件

引射气体为氦气，贮箱内低温推进剂为液氧，计算模型为基于自由界面追踪的VOF方法，包含液氧与氧气之间的相变传质过程，采用FLUENT 6.3.26计算平台。

1.2.1 基本假定

a）工质为牛顿流体，气态推进剂可压缩；

b）气液之间存在热相变，忽略不可冷凝气体（如氦气）在低温推进剂中的溶解；

c）贮箱内气液两相流动过程中存在较为明显的连续相界面。

1.2.2 控制方程

a）基本控制方程。

整体质量守恒方程：

式中 ρ为密度；u为速度矢量；Sm为源项，包括从分散的二级相中加入到连续相的质量（如液滴的蒸发）和自定义源项。

j相质量守恒方程为

j=1ijm˙ji分别为i相向j相和j相向i相的质量传递。

动量守恒方程在惯性（非加速）坐标系中i方向上的表达式为

式中 μ为粘性系数；I为单位张量。

能量守恒方程为

式中 e为比内能；keff为有效热传导系数；T为温度；Sh为源项。

b）附加方程。

附加方程包括状态方程和比内能方程：

式中 R为理想气体常数；H为比焓。

c）表面张力方程（微重力工况需特别考虑）。

表面张力选择Brackbill提出的连续表面张力（Continuum Surface Force，CSF）模型，作为动量方程的一个源项。

d）不可冷凝气体方程。

对于存在3种流体的系统，如液氧、氧气和氦气，需添加混合气中不可冷凝气体体积含量的控制方程：

式中ncρ为不可冷凝气体密度；Dnc为不可冷凝气体扩散系数。同时，不可冷凝气体对蒸汽的分压、传热和混合气体的物性存在一定影响。

e）界面追踪方程。

在整个流场中定义函数F，在每个划分的网格中，F为流体体积与网格体积之比，满足如下方程：

式中 当F=1时，网格中充满某种流体；F=0时，网格内不含流体；在流体界面处0＜F＜1。模拟中需要求出每个网格中的F值，然后构造出运动界面形状。

f）湍流控制方程。

湍流控制方程可由-kε标准模型计算得出：

1.2.3 初始边值条件

贮箱内液氧初始高度为11.0 m，气枕组分为氧气；推进剂出流口为质量流量边界，预冷回流口为速度边界，贮箱顶端气枕排气口为压力边界；壁面为自然对流边界，换热系数为1.0 W/（m2·K），是结合工程经验及保温层后的折算系数；气枕初始压力为0.12 MPa。

氦引射循环预冷回流贮箱模型典型参数设定为：推进剂出流口边界为1.0 kg/s的纯液氧，温度91.8 K；预冷回流口边界速度为2.8 m/s，方向沿边界法向，温度96.5 K，液氧体积分数25%，氦气体积分数20%。

2 分析与讨论

2.1 典型特性分析

图2～6分别给出了氦引射循环预冷回流贮箱内不同时刻氧气体积分数、氦气体积分数、速度、温度和压力分布。

t=15 s时，氦引射循环预冷回流贮箱内的流线和温度场分布情况如图7所示。

氦引射循环预冷回流贮箱内主要流动与传热具有如下特点：

a）贮箱推进剂出流口预冷流速对贮箱内传热和流动过程影响非常微弱；氦引射循环预冷系统起动后，气液两相流逐渐从回流口管路进入贮箱，贮箱内部各参数初始处于微弱扰动状态。

b）随着预冷的进行，高速回流气液混合物进入贮箱并与液氧进行剧烈的动量交互而降速；受到自身重力影响及上层液氧、贮箱壁面的阻碍作用，回流推进剂带动周围液氧一方面沿回流入射方向流动，另一方面向箱底下沉形成逆时针环流；环流带来贮箱底部液氧压力的波动并影响回流推进剂的入射方向，使其逐渐靠近回流口附近的壁面形成沿壁面向上的回流气液两相射流；而入射方向的改变促进了环流的扩大，使环流涉及的范围越来越广，同时破碎的气泡受到浮力作用开始上浮，进一步促进了环流的发展，最终形成环绕整个贮箱内部贴近箱壁的大环流，且顶部速度高于底部，大环流内部受到气液两相混合作用和湍流扰动形成多个复杂的无规则小环流。

c）在组分特性方面，预冷回流的气体速度较高，与液氧进行剧烈掺混后破碎为大量小气泡，分散在液氧中的大量氧气无法迅速完成换热和冷凝过程，仍以气态形式存在，引起贮箱液面一定程度的升高和波动，氦气的进入进一步加剧了贮箱内组分分布的混乱程度（对于不同的预冷回流口边界条件，贮箱内组分情况会有明显差异）。

d）在温度特性方面，高温回流气液两相推进剂会引起周围液氧温度的升高，壁面自然对流换热和气枕压力的升高会进一步恶化贮箱内液氧温度品质，而液氧的蒸发和氦气入射对蒸发吸热的促进作用[1,2]有利于体系温度的降低，综合表现为回流口附近的核心区和近壁面区保持较高的温度，贮箱内大部分区域温度处于92.5 K左右（见图7），大环流和小涡流的存在有利于贮箱内推进剂温度的均匀分布，破坏了可能存在的局部过热和严重的热分层效应。

e）15 s后箱内流动基本稳定，气体的不断逸出引发液面的剧烈波动，同时气枕和箱内推进剂压力也会受到影响而有所增加。

与自然循环预冷回流贮箱[6,7]相比，氦引射循环预冷回流贮箱具有不同特性，主要表现在如下几个方面：

a）由于气相组分中氦气的存在，回流混合物密度较小，受浮力影响较大，贮箱内原有液氧对回流混合物沿径向流动的阻碍作用更为明显，使得回流混合物在箱内未形成环流时便呈现近似沿轴向向上流动，并且受环流影响更为显著，回流开始2 s后已在回流口附近形成贴壁面流动。

b）氦气与氧气以大气团和小气泡的形式混合在一起，受到氦气低密度影响，混合气上浮速度较自然循环预冷中纯氧气更快，气泡在10 s左右便可以到达气枕，系统内大环流也随之基本形成。

c）氦气泡沿壁面上浮后大部分逸出到气枕中，小部分随环流重新回流到贮箱中部，受浮力作用未能进入贮箱底层。

2.2 工程优化讨论

在工程实际中，氦引射循环预冷开始前系统一般处于自然循环预冷状态[5]（引射氦气未注入），氦气注入后由于回流组分中氦气的存在，密度降低，强化了贮箱内原有液氧对回流混合物沿径向流动的阻碍作用，易于近似沿轴向向上流动，环境的自然对流换热和箭体内部的主动热吹除对贮箱近壁面处推进剂加热持续作用，氦引射循环预冷快速回流特性对箱内推进剂温度品质的提高具有明显的促进作用；同时氦气受浮力和环流影响基本不会出现在贮箱底部出流口附近，并且对氧气上浮起到牵引促进作用，可以较好地规避可能出现的出流推进剂夹气风险。

氦气快速通过贮箱内液氧而逸出进入气枕，如果长时间引射，受贮箱排气能力限制，气枕压力会受到较大影响，对系统稳定性不利，因此需要较大的初始气枕容积。

射前的大量过冷液氧补加可以进一步提高贮箱推进剂温度品质，降低体系含气率。回流混合物温度较高，受箱内低温液氧冷却后温度会有所降低，同时质量流量很小，对贮箱内推进剂温度升高影响不明显。箱内液氧升温汽化后会吸收汽化潜热，氦气的存在会降低氧分压，进一步促进液氧汽化，引起推进剂温度降低，利于体系温度稳定。

氦气质量流量是影响贮箱内流动与传热特性的重要参数：流量偏低会降低引射回流对贮箱内推进剂的掺混作用，不利于推进剂温度品质提高；流量偏高则增大贮箱排气能力需求，同时增加出流推进剂加气的风险；对于基础级以上的动力系统，过高的氦气需求增加了结构质量和氦气用量，不利于运载能力的提高。

引射循环预冷回流氦气泡的破裂和上浮、贮箱内大环流和局部绕流引起贮箱液面较大晃动，可能进一步引发流固耦合振动，不利于系统稳定，工程研制中需特别考虑。

3 结束语

本文构建了一种二维引射循环预冷回流低温贮箱内气液两相流动与传热特性模型，分析了地面状态循环回流气液两相流对贮箱内相分布、温度、压力和速度的影响，初步比对引射循环预冷与自然循环预冷回流贮箱特性的不同，结合工程实际分析影响引射循环预冷回流贮箱特性的关键因素和优化原则，为工程应用提供参考。

[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] 陈士强, 范瑞祥, 黄兵, 黄辉. 运载火箭低温动力系统注气式循环预冷过程的AMESim仿真研究[J]. 载人航天, 2014, 20(5): 413-420.

[5] 程向华, 厉彦忠, 陈二锋. 不同回流位置液体火箭发动机循环预冷回路特性[J]. 推进技术, 2008, 29(6): 646-650.

[6] 陈二锋, 厉彦忠, 程向华. 液体火箭发动机自然循环预冷回路的数值研究[J]. 航空动力学报, 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

陈士强（1986-），男，博士，工程师，主要研究方向为运载火箭动力系统总体设计