低温推进剂管路预冷沸腾换热特性研究综述

王娇娇，厉彦忠,2，王鑫宝，王 磊，杨永忠

(1. 西安交通大学制冷与低温工程系，西安 710049；2. 航天低温推进剂技术国家重点实验室，北京 100028；3.太原卫星发射中心，太原 036304)

低温推进剂管路预冷沸腾换热特性研究综述

王娇娇1，厉彦忠1,2，王鑫宝1，王 磊1，杨永忠3

(1. 西安交通大学制冷与低温工程系，西安 710049；2. 航天低温推进剂技术国家重点实验室，北京 100028；3.太原卫星发射中心，太原 036304)

为探究低温推进剂预冷管路过程中非稳态两相流动与换热特性，通过文献调研与对比分析，综述了该领域研究进展。分类总结了影响预冷沸腾的主要因素，梳理了数值模拟研究结果，探讨了现有流动沸腾关联式对低温推进剂预冷沸腾过程的适用性，并整理了微重力下低温流体预冷沸腾相关实验研究。研究表明：1) 低温流体预冷沸腾可用典型沸腾曲线逆向描述，换热特性与两相流型分布与常温流体流动沸腾相比存在一定差异；2) 质量流速、流动方向、工质物性等是预冷沸腾过程流动与换热特性的主要影响因素；3)传统流动沸腾换热关联式不适用于低温流体预冷沸腾换热研究，需进一步拟合低温流体预冷过程关联式。通过梳理低温流体预冷沸腾理论研究和实验进展，提出了开展相关研究的思路与方向，以期为低温推进剂的安全高效加注提供参考和理论依据。

低温推进剂；管路预冷；沸腾换热；换热模型；综述

0 引 言

低温推进剂具有高比冲、大推力、无毒无污染等优点，被认为是未来深空探测的首选推进剂，在现代航天器中的比重不断增加。由于其饱和温度低、气化潜热小，与外部环境温差较大，在运输及使用过程中极易发生剧烈气化。因此，在低温推进剂传输、加注之前需对输送管及局部件进行预冷，使其温度降至液体温区，以防止输送管路形成太大的压力脉冲和冷缩应力。预冷过程中，管壁温度逐渐降低，低温流体经历复杂的两相流动与传热，变量多且相互影响。低温管路预冷是一个涉及气液固三相换热、气液热质传递、流型转变的非稳态热力学过程，开展相关研究面临着极大挑战。

低温推进剂地面加注液路系统由地面卧式储罐、真空绝热管路、增压器、过冷器、流量计、过滤器和低温调节阀等组成，主要完成低温推进剂的转注、预冷、加注、自动补加、排放、射前补加、泄回等工作，系统工艺复杂，可靠性和可维护性要求很高。而新一代运载火箭面临高密度发射的任务形势，在满足发射载荷需求与经济性的前提下，还要求能够实现快速发射，这就对加注过程的准确控制、加注系统工艺设计与改进、加注系统的维护与改造提出了新的要求。

地面与空间加注系统的设计以及预冷过程的有效控制都需要建立在掌握低温流体流动沸腾与传热的基础之上。根据壁面传热途径的不同，沸腾换热可分为加热沸腾和预冷沸腾两种方式。长久以来，研究学者针对加热沸腾进行了广泛的实验研究和理论探索，得到了大量关于单个气泡微观现象、气泡群体宏观运动以及不同换热区域换热特性和机理的研究结论。然而对于低温预冷沸腾，因其机理的复杂性、随机性、多样性以及非稳态的发展过程，使得相关研究比较困难，不确定因素和未知现象较多，在两相流研究领域中还属于新的范畴。因此，开展低温流体预冷沸腾流动特性和换热机理研究，不仅可为航天技术发展与应用提供理论依据，而且对沸腾传热相关科学与技术的发展也有重要意义。

1 低温流体预冷沸腾曲线

流动沸腾是一个伴随着气液相变和热量传递的气液两相流动过程。沸腾传热特性随系统发生条件的不同而不同，与流体物性、传热方向及途径和流动条件等因素均有关系。沸腾曲线(图1)是研究沸腾传热机理和特性的基本手段和重要途径，包括三个特征点(沸腾起始点ONB、临界热流密度点CHF、膜态沸腾起始点Leidenfrost)和四个不同沸腾区域(单相强制对流、核态沸腾、过渡沸腾、膜态沸腾)。加热沸腾和预冷沸腾都可通过沸腾曲线进行描述：初始状态壁面温度与流体温度相同，通过逐渐加热壁面而产生两相流动是一种近似稳态的加热沸腾现象，壁面过热度逐渐增大，可用沸腾曲线中A-B-C-D-E过程进行描述；低温流体进入常温的管路，管壁温度的逐渐降低，管内流体经历复杂的两相流动与传热，是一种非稳态预冷沸腾现象，壁面过热度逐渐减小，可描述为E-D-C-B-A过程。

图1 典型沸腾曲线Fig.1 Typical boiling curve

由于液氮安全性好，方便获得且与液氧物性相近，目前低温流体管路预冷多以液氮为工质开展研究。相关学者[1-6]通过实验研究获得了一定的预冷沸腾换热数据，研究发现液氮预冷沸腾曲线(图2)与常温流体加热沸腾曲线类似，此外，不同工况预冷过程中管壁温降曲线(图3)呈现相同趋势，可分为三个阶段：I温度缓慢降低；II温度迅速降低；III温度保持稳定。

图2 液氮预冷管路过程沸腾数据[1-4]Fig.2 Boiling data of nitrogen pipe chilldown tests[1-4]

图3 液氮预冷管路过程管壁温降曲线[1-2,5,7,11]Fig.3 Wall temperature traces during nitrogen pipe chilldown tests[1-2,5,7,11]

Jackson[7]、Yuan等[8-9]、Hu等[10]和Velat等[6,11]针对液氮预冷管路进行了可视化实验研究。研究发现，在预冷初始阶段，由于管壁与低温液体温差巨大，贴近管壁的液体剧烈沸腾，大量蒸气来不及离开壁面，形成一层膜附着在管壁，此阶段为膜态沸腾。在该过程中，壁面和液体的换热被附着的气膜阻断，壁面温度降低缓慢(阶段I)。随预冷过程的进行，壁面过热度逐渐减小，一些积聚在管壁附近的气膜在浮升力作用下间歇脱离壁面，该过程称之为过渡区。随着壁面温度进一步降低，产生的气体量逐渐减小，使得管壁重新被液体浸润，称为核态沸腾。该阶段由于管壁大面积与液体接触，换热充分，热流密度较大，管壁温度迅速降低(阶段II)。从膜态沸腾到核态沸腾的转变也称为壁面的再润湿过程，再润湿温度是预冷过程的一个重要表征量，由图3可知，一般情况下液氮的再湿润温度在130 K～140 K附近。Darr等[2,5,12]、Shaeffer等[1]和Johnson等[3]等通过实验均验证了上述结论。

因此，液氮预冷沸腾过程，都会经历温度下降缓慢且经历时间较长的膜态沸腾阶段、温度快速下降的核态沸腾阶段直至完全预冷的单相流动阶段，液氮预冷沸腾实验取得的结果为低温流体预冷沸腾相关科学与技术的发展奠定了理论基础。

2 低温流体预冷沸腾流型特征

沸腾是通过气液相变将工质由液态转换到气态的一种剧烈气化过程，也是伴随大量气体的形成、长大和运动的热量传递过程。通常情况下，随着预冷过程的进行，管内的流型特征呈现较大差异，且流动方向、流体物性等因素均会对流型产生影响。Hu等[10]等针对液氮预冷竖直管路开展可视化实验研究，图4为根据实验结果绘制的流型变化示意图。可以看出，在高质量流量工况下，管路内依次经历单相气体、弥散流、反环状流、泡状流，最终变为单相液体；在较小的质量流量工况下，在激冷面出现之前仅能观察到弥散流，随后管路依次呈现环状流、泡状流和单相液体。

Velat等[6,11]、Jackson[7]、Yuan等[8-9]均针对液氮预冷水平管的流型特征开展了实验研究，图5为根据实验结果所绘制的流型变化示意图。开始阶段，管路整体处于室温，当低温液体进入水平管后，巨大的换热温差使得液体在入口段全部气化，管内出现高速气流；随着预冷过程的进行，壁面温度逐渐降低，液体气化量也相应减少，气液两相流中液体份额的逐渐增加，管内将依次可见液滴、液体线状流、分层/波纹流、弹状流、塞状流，直至最终为全液体流。另外，Velat等[6,11]通过多工况实验，发现质量流量对水平管路预冷过程流型分布有显著影响：当流量小于一定程度时，整个预冷过程只能观察到分层流；随着流量的增加，气液速度差过大时，可以观察到弹状流和塞状流；当质量流量增大到一定程度，即流体惯性力大于重力的影响时，水平管的流型特征接近于竖直管流型变化规律。

图4 液氮预冷竖直管路流型分布示意图[10]Fig.4 Illustration of flow patterns for vertical upward flow[10]

图5 液氮预冷水平管路流型变化示意图[6-9,11]Fig.5 Illustration of flow patterns in a horizontal tube[6-9,11]

由于液氮的气液密度比、气化潜热和表面张力较小等特殊性质，液氮与常温流体两相流型特性存在一定差异。Laver 等[13]实验研究了液氮流动沸腾过程中反环状流现象，与文献[14]中R113工质相比，液柱破碎为分散液滴发生得更加迅速。另外，Hu等[10]采用液氮预冷竖直管路，在多数实验工况下观察到反环状流，仅在非常小的质量流量才出现环状流，与文献[15]中过冷水预冷管路的实验现象略有不同。

此外，Hartwig等[16]比较了液氮[10](图6)和液氢[17](图7)预冷竖直管路可视化图像，发现两者的换热特性和流型转变过程存在巨大区别。液氮预冷管路过程中温降曲线平滑，膜态沸腾过程非常显著，约占预冷时间90%以上。而液氢预冷管路过程中管壁温度波动较大，且环状流转变过程非常迅速。由此可见，工质物性对预冷过程中两相流型分布有着重要影响。氢的气液密度差、粘性较小，导致气液相间难以形成稳定的界面分布，且流型分布易受外力影响，导致膜态沸腾经历时间更短，预冷效果优于相同条件下的液氮预冷效果。

因此，低温流体管路预冷流型特征受质量流量、管流方向、流体物性等因素影响，流型变化十分复杂。此外，在预冷初始阶段，进入管路的流体会剧烈气化并引起较大的压力波动，而且由于气相的可压缩性以及气液界面的变化，极易产生瞬态冲击，诱发管路振动等。由于技术与成本方面制约，相关研究结果较少，有待于更深入研究。

图6 液氮预冷实验壁面温度和流型变化图[10]Fig.6 Wall temperature trace and flow visualizations for liquid nitrogen line chilldown test[10]

图7 液氢预冷实验壁面温度和流型变化图[17]Fig.7 Wall temperature trace and flow visualizations for liquid hydrogen nitrogen line chilldown test[17]

3 低温预冷沸腾换热实验研究

低温预冷沸腾实验研究始于二十世纪六十年代，Rame等[18]、Burke等[19]、Bronson等[20]、Chi等[21]和Laverty等[22]进行了早期的实验研究，为预冷沸腾传热研究奠定了基础。目前，低温流体预冷沸腾的研究仍以实验为主，根据对现象本质的理解，提出过程发展的物理模型和数学模型，并由实验确定经验常数，建立半经验半理论的计算公式，是目前进行预冷沸腾换热研究的主要途径。近年来，研究人员针对低温流体预冷沸腾开展了大量实验研究[1-12,16-17,23-27]，为减少研究工作的复杂性，研究者通常把各种影响因素孤立起来进行分析和实验，进而分析各因素对过程发展的影响和作用机制。预冷过程影响因素主要包括质量流速、流动方向、工质性质、流动方式、管路结构等，以下分别进行介绍。

3.1 质量流速

质量流速是影响流动换热的重要因素，Hu等[10]、Velat等[6,11]、Johnson等[3]和Darr等[2]研究了质量流速对预冷过程的影响，结果表明在相同的实验条件下，质量流速越大，预冷完成时间越短。图8为不同实验工况下预冷时间随质量流速的变化曲线，在低质量流速时，预冷时间随质量流速的增大而急剧减小，而当质量流速增大到一定程度后，预冷时间趋于稳定。在实际预冷过程中，找到最优预冷流速，可提高预冷效率，同时确保加注过程顺利、安全进行，减少推进剂浪费，这对低温推进剂加注工艺改进具有重要指导意义。

图8 预冷时间随质量流速变化曲线[2-3,10-11]Fig.8 Relationship between chilldown time and mass flux[2-3,10-11]

此外，质量流速还对临界热流密度和三个特征温度有着重要影响。整理文献[2-3,5,10,12,24]中临界热流密度随质量流速的变化关系，如图9所示，发现临界热流密度随质量流速的增大而增大，在低质量流速工况下尤为明显。Shaeffer等[1]的实验结果表明特征温度随雷诺数的增大而增大，如图10所示，在实验工况范围内，沸腾起始温度(ONB)范围为100 K～110 K，临界热流温度(CHF)范围为110 K～130 K，再湿润温度(Leidenfrost)范围为130 K～150 K。因此，质量流速对预冷过程中流动与换热特性具有重要影响。

在此基础上，Darr等[2]等通过大量实验对比，指出不同质量流速工况下沸腾换热机理有所不同：在低质量流速情况下，需要考虑浮力的因素，管路内流动换热情况受流动方向的影响较明显；随质量流速的增大，强制对流换热作用逐渐显著；当质量流速增加到一定程度后，液滴与壁面换热作用不可忽略。

图9 临界热流随质量流速的变化曲线[2-3,5,10,12,24]Fig.9 Relationship between CHF and massflux[2-3,5,10,12,24]

图10 特征温度随雷诺数的变化曲线[1]Fig.10 Relationship between typical temperture and mass flux[1]

3.2 流动方向

Darr等[12]等研究了流动方向对预冷沸腾换热的影响，指出不同流动方向具有不同的流动与换热特性，在低质量流量时差别尤为明显。结果表明相同工况下，竖直向上管路预冷速度快于竖直向下。Darr等[12]等认为主要是因为在膜态沸腾阶段，低温流体自下向上流动时，由于气相浮力的作用增强了换热效率，而低温流体从上往下流动时，浮力阻碍了流体的流动并且减缓了气体的流速，从而降低预冷效果。Hu等[10]分别进行竖直向上流动和竖直向下流动的预冷实验，结果与上述结论相符。

此外，Darr等[12]的实验结果表明,相同工况下竖直管路换热效率优于水平管路和倾斜管路，主要因为由浮力引起的分层现象降低了换热效率。然而随质量流量的增大，流动方向的影响逐渐降低，当质量流量增大到一定程度时，强制对流换热远远超过自然对流，管路内流动与换热不受流动方向的影响。

3.3 工质物性

Rame等[18]等实验研究了液氢预冷管路过程，Hartwig等[16]将其结果与液氮预冷管路实验进行比较，发现液氢的预冷过程具有极大特殊性。整理Hartwig等[17]、Rame等[18]和Chi等[21]的液氢预冷实验数据，如图11所示，液氢预冷沸腾曲线中仅能观察到核态沸腾和过渡沸腾两个阶段。由于液氢的黏性远低于普通流体，造成液氢预冷沸腾过程中表现为高Re数的特性，而临界热流密度与液氮预冷沸腾过程中的临界热流的数量级相同，临界热流同样随雷诺数的增大而增大。由此可见，液氢预冷沸腾的流型变化规律和换热特性与液氮既有相似性，又有其特殊性，难以简单得由液氮相关实验进行推断。因此，针对液氢预冷沸腾过程中的流型变化和换热机理的特殊性开展深入研究，对沸腾换热学科相关技术的发展具有重要意义。

图11 液氢预冷过程沸腾数据[17-18,21]Fig.11 Cryogenic boiling data of LH2 chilldown tests[17-18,21]

3.4 流动方式

在推进剂预冷管路过程中，有两种优化目标，一种是预冷时间最短，另一种是推进剂消耗量最少，一般情况下，发动机管路的预冷以时间最短为最优选择，而地面加注系统的预冷过程以推进剂消耗量最少为最优目标[25]。针对不同的优化目标，研究者主要研究了连续流动和间歇流动两种方式。与连续流动方式相比，间歇流动可以更大程度的利用低温流体的潜热和显热进行管路预冷。为研究两种预冷方式效果，Shaeffer等[1]采用液氮工质对连续流和间歇流两种方式开展实验研究，结果表明，在高雷诺数工况(高于4000)时，采用间歇流动方式可减少推进剂的消耗量，而在低雷诺数工况下，间歇流动方式并不能显示其优势。

因为液氢流动具有高雷诺数的特征，Hartwig等[25]以液氢为实验工质进行实验，发现间歇流动方式可以节约接近50%的推进剂消耗量。间歇流动的可靠性、安全性取决于阀门的有效周期数，一般而言，更快的阀门开闭周期更有利于节约时间和推进剂的消耗量。因此，针对液氢预冷管路过程，间歇流动的预冷方式可以极大降低推进剂的消耗量，为预冷加注提供了一个降低成本有效思路。

3.5 管路结构

Hu等[26]研究了低温流体预冷纳米多孔表面的换热情况，发现纳米多孔材料在三种换热方式阶段都能提高低温流体的换热情况。另外，Hu等[27]实验模拟了液氮预冷波纹金属软管过程，发现管内壁表面结构对预冷过程有重要的影响。在膜态沸腾阶段，波纹表面的环状气膜比光滑表面更厚且膜态沸腾持续时间更长；在过渡沸腾和核态沸腾中，波纹表面的临界热流更大，换热系数更高；在整个预冷过程，波纹表面比光滑表面需要更长的预冷时间。

4 低温预冷沸腾数值模拟研究

预冷沸腾方面相关理论研究较少，主要沿用传统两相流动与换热理论[28-29]。预冷沸腾的研究模型主要为均相模型[30-38]和两流体模型[39-42]，一般情况竖直管路采用均相模型，而水平管路需采用两流体模型。此外还有学者提出介于均相模型与两流体模型之间的气液同速推进分层模型[43]。

随着计算机技术的发展，数值模拟方法因简单易操作在流动与换热领域得到广泛应用，目前可以模拟预冷沸腾的软件有SINDA/FLUINT和GFSSP(Generalized fluid system simulation program)。

4.1 SINDA/FLUINT

SINDA/FLUINT是一个热设计分析和流体流动分析的综合性有限差分、集总参数软件，因可靠高效的两相流模拟能力，在航空航天领域得到广泛应用。与其他软件不同，SINDA/FLUINT计算两相换热系数根据不同的换热方式分别采用不同的计算公式，如图12所示。其具有主动的相变识别、流域的自动匹配、可选的滑移流模型，并可以内建或用户自定义的两相传热关联式和压降关联式。与美国标准技术研究所(NIST)的液氢预冷真空绝热铜管实验数据相比，SINDA/FLUINT计算得到的管路进口端注入速度稍稍快于实验结果，对预冷时间的预测比较准确。

图12 SINDA/FLUINT两相换热算法Fig.12 Two phase boiling logic of SINDA/FLUINT

4.2 GFSSP

GFSSP是模拟航天领域复杂系统流动换热的软件，其采用一维网络流分析，基于有限体积方法，可计算气液相变、流固耦合、膨胀压缩、物料混合等复杂问题。其采用逐次迭代和同步求解相结合的方法，如图13所示，具有很好的收敛性。目前，GFSSP可模拟水击现象、贮箱增压排液、加注系统预冷、TVS排气增压以及贮箱无排气加注等过程。

图13 GFSSP求解方案Fig.13 Program structure of GFSSP

LeClair等[28]采用GFSSP软件模拟肯尼迪39B综合发射台加注过程，数值预测了预冷加注、缓慢加注、快速加注的加注时间和壁面漏热量，均与实际过程比较符合。Hartwig等[29]模拟了液氢在箱体间转运过程的瞬态预冷，模拟管路壁温与实验数据仅在数量级相符，存在较大的误差。Hartwig等[29]认为误差主要源于两相换热部分，利用低温预冷沸腾实验数据修正两相换热公式，将会进一步提高计算精度。

4.3 换热关联式

早期经典换热关联式[44-61]仍广泛应用于水和制冷剂等流动沸腾换热研究，如Chen关联式广泛应

用于核态沸腾换热预测，Bromley关联式广泛应用于膜态沸腾换热计算。长久以来，许多学者致力于将适用于常温流体的换热准则公式经过修正后推广到低温流体，但因误差较大而发展缓慢。

开展多工况实验研究，不仅对预冷沸腾换热机理研究具有重要的意义，而且对换热关联式的推导和修正提供了实验支持。Klimenko[49]将液氮实验数据与Chen模型和Shah模型比较，发现两个关联式都低估实验值2～3倍，经分析提出了考虑加热表面影响的关联式，与309个液氮流动沸腾数据点的误差在35%之内。

Hartwig等[50]将多个低温预冷实验数据[1,5-6,9,51-52]与传统经验关联式进行比较，发现所有模型与实验数据的误差都非常大，不能预测低温流体预冷管路过程的换热特性。因此，Darr等[12]开展了大量低温流体预冷沸腾实验，分别探究各个影响因素的作用机制，拟合出一套考虑三种不同换热模式和多种流动方向的换热关联式，覆盖了质量流量6～1650 kg/(m2s)的流动工况，是目前唯一针对低温流体预冷沸腾过程的换热的关联式。

5 微重力环境预冷沸腾研究

在航天技术领域中，微重力作用下的两相流动成为近年来学者关注的焦点。在微重力下，热毛细对流、浸润性、接触角、相变等在地面被浮力和分层现象所掩盖的因素成为重要的影响因素，使微重力下流动与沸腾过程变得不可预测。目前常用的微重力实验设施有落塔、落井、失重飞机和空间站等。由于低温流体沸腾换热实验系统复杂，获取数据困难，因而微重力环境的低温流体沸腾换热实验较少。早期实验工质大多采用水、R-113、FC-72等制冷剂，近期有较少液氮微重力实验，表1为有关预冷沸腾的微重力实验文献总结。

表1 微重力预冷沸腾实验总结

大多数学者通过实验研究发现微重力作用下，低温流体预冷沸腾的换热情况受到抑制。在微重力环境下，浮力作用消失，出现连续液柱被厚厚的气膜包裹的现象，减弱了气液界面不规则快速波动的换热，此外液柱不易破碎为液滴，减弱了液滴与壁面换热效应。但也有学者得到微重力下预冷沸腾换热增强的实验结论，由于微重力环境下相关实验相对较少，相关换热理论和机理需要进一步开展研究。开展微重力下预冷沸腾传热研究，不仅为航天技术发展与应用提供理论依据，而且对微重力相关科学与技术的发展也有重要意义。

6 结束语

近年来，我国针对低温推进剂流动与换热特性开展了大量研究[69-72]，均取得一定成功，而低温推进剂预冷沸腾的相关结论较少。本文对低温流体预冷沸腾相关文献进行梳理，得到如下结论：

1)质量流速越大，预冷完成时间越短，而当质量流速增大到一定程度后，预冷时间趋于稳定。确定最优预冷流速，对低温推进剂的安全高效加注具有重要意义。

2)流动方向对预冷沸腾中换热存在影响，相同工况下竖直管路换热效率优于水平管路和倾斜管路，竖直向上管路换热效率优于竖直向下。

3)与液氮相比，液氢预冷沸腾过程的流型特性与换热机理表现出不同规律，亟需进行深入实验研究以明确液氢沸腾换热基本规律。

4)传统流动沸腾换热关联式不适用于低温流体预冷沸腾换热过程，需开展低温工质实验以丰富数据，拟合出适用于低温流体的换热关联式。

5)微重力下的相关研究较少，已有研究表明，微重力下换热会受到抑制，仍需进一步开展深入研究。

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通信地址：西安市咸宁西路 28 号西安交通大学能动学院制冷及低温研究所(710049)

电话：(029) 82668725

E-mail:wangjiaojiao0819@stu.xjtu.edu.cn

厉彦忠(1958-) ，男，教授，主要从事低温流体流动与传统规律研究。本文通信作者。

通信地址: 西安市咸宁西路 28 号西安交通大学能动学院制冷及低温研究所(710049)

电话: (029) 82668725

E-mail:yzli-epe@mail.xjtu.edu.cn

Review of Cryogenic Boiling Heat Transfer during Pipe Chilldown

WANG Jiao-jiao1, LI Yan-zhong1,2, WANG Xin-bao1,WANG Lei1, YANG Yong-zhong3

(1. Department of Refrigeration & Cryogenic Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants, Beijing 100028, China；3. Taiyuan Satellite Launch Center, Taiyuan 036304, China)

In order to reveal the characteristics of the unsteady two-phase flow and heat transfer during the cryogenic pipe chilldown, literature investigation and comparative analysis are conducted to summarize the related research progress in this field. The main factors of the cryogenic pipe chilldown are investigated and classified, and the numerical results are studied. Moreover, the applicability of the existing flow boiling correlations to the cryogenic boiling process is discussed , and the related experimental research on the cryogenic pipe chilldown in the microgravity environment is summarized. Conclusions have been drawn as follows: 1) Compared with the typical flow boiling, the cryogenic chilldown boiling which can be reversely described by the typical boiling curve performs differently in the characteristics of the heat transfer and flow patterns; 2) The factors of the mass flow rate, the flow directions and the physical properties make an important influence on the mechanism and characteristics of the cryogenic pipe chilldown; 3) The traditional flow boiling heat transfer correlations can not apply to the heat transfer studies during the cryogenic chilldown boiling, and it should be paid more attention to developing new correlations to predict the pipe chilldown process. Based on the theoretical research and experimental progress of the cryogenic chilldown boiling, a suggestive research is proposed to provide the reference and theoretical basis for the safe and efficient filling of the cryogenic propellant.

Cryogenic propellant; Pipe chilldown; Boiling heat transfer; Correlations of boiling; Review

2017-03-03;

2017-06-01

国家自然科学基金(51376142，51406142)；陕西省博士后科研项目；中央高校基本科研业务费专项资金;航天低温推进剂技术国家重点实验室开放课题(SKLTSCP1614)

V511+.6

A

1000-1328(2017)08-0779-10

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.08.001

王娇娇(1993-)，女，博士生，主要从事低温两相流动与换热研究。