Page 39 - 《真空与低温》2025年第5期

578 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

消耗巨大且技术复杂，为在提高预冷效率的同时保 柱形低温储罐，对低温球罐预冷过程的研究较少。
证预冷均匀性，有必要对预冷过程中各类影响因素 现有文献关于液氢球罐预冷过程的研究较少，
进行分析，获得其影响规律。 其预冷过程中诸多影响因素的作用机制并不清晰。
针对大型低温储罐预冷过程的研究，通常采用 本文针对液氢球罐预冷过程进行数值模拟研究，分
数值模拟方法，与实验研究相比，数值模拟具有经济 析预冷介质种类、喷淋环直径、喷嘴数量及出口位
性、灵活性等优势。诸学者基于此开展了大量低温 置等对球罐预冷过程的影响。通过对喷淋结构的
[7]
储罐预冷相关研究，Lu 等 采用 CFD 模拟带货物 研究，设计了一种双层喷淋环结构，以改善球罐预
围护结构的 LNG 货舱预冷过程，获得货舱壁和舱内 冷不均匀的问题，为实际液氢球罐预冷喷淋结构设
[8]
气体温度变化情况。李金娟等 建立 16 万立方米 计提供理论依据和支撑。
LNG 储罐多入口喷淋预冷模型，获得预冷过程中罐
1 模型建立
内物理场变化规律，探究了预冷过程中二次回流现象
的成因及影响。姜坤 对液氢储罐的低温氢气预 1.1 物理模型
[9]
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冷过程进行模拟，获得罐内温度场、流场分布情况。 以 2 000 m 液氢球罐为研究对象，为便于计算
Leclair 等 [10] 对整个低温系统的预冷过程进行模拟， 与分析，对液氢球罐结构进行合理简化，忽略其支
获得预冷过程中系统进出口流量变化、储罐内温度 撑构件和相关管道，只针对内罐、绝热层和内部流
和压力变化及壁面漏热情况。综上，关于大型低温 体域及出入口进行建模。坐标原点位于球罐的中心，
储罐预冷过程的研究多集中于低温气体预冷以及 喷淋入口高度为 7 200 mm，内球罐材质为 S30408，
预冷过程中热交换机理等方面，且研究对象多为圆 绝热层材料为珠光砂，具体结构如图 1 所示。

出口
入口 R9 000 mm
流体域 A
R7 850 mm
Φ130 mm×6
R7 863 mm
Φ200 mm
入口 对称轴
R2 100 mm 2 685 mm 出口

A
内罐
内罐 绝热层
绝热层
（a）球罐物理模型 （b）球罐入口、出口尺寸及分布

图 1 球罐结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of spherical tank structure

1.2 CFD 数学模型
鉴于球罐结构的对称性，建立三维对称模型。
采用 Fluent meshing 进行网格划分，流体近壁面区

域采用边界层网格，入口与出口区域作网格加密处
理，并进行网格无关性验证，选择总数约为 34 万的
网格计算，网格划分如图 2 所示。
采用 Fluent 软件对大型液氢球罐预冷过程进
行数值模拟，预冷过程遵循质量守恒、动量守恒和
能量守恒，控制方程如下。
图 2 网格划分
质量守恒方程：
Fig. 2 Grid division