Page 41 - 《真空与低温》2025年第5期

580 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

采用 Lee 模型进行相变模拟时，控制相变强弱 准确，可用于液氢球罐预冷研究。
的蒸发冷凝因子在不同的研究领域的取值不同 [12-15] ，
2 结果及分析
−1
−1
−1
−1
本文分别取 0.1 s 、0.5 s 、1 s 、10 s 进行模拟，
2.1 预冷介质对球罐预冷的影响
通过张林辉 [16] 的储罐预冷数据对所构建的计算模
预冷过程中需要消耗巨大冷量，合理的预冷方
型开展验证并确定蒸发冷凝因子的取值。在模拟
案十分重要。制定预冷方案时涉及预冷介质的选
计算中，初始条件和边界条件与实际预冷数据保持
择，其关系预冷成本和预冷均匀性。本文探究液氮
一致，求解设置与本文构建的模型一致，模拟储罐
预冷 4 h 罐壁温度变化，结果如图 4 所示。 和液氢对球罐预冷过程的影响，为制定预冷方案提
供理论依据和参考。为确保对比分析的准确性，需
295 控制液氮和液氢的冷量相同。经计算，液氮入口流
290 量为 0.035 kg/s、液氢入口流量为 0.003 8 kg/s 时，冷
温度/K 285 0.5 量相同，因此模拟中采用上述流量参数。
2.1.1 液氮预冷罐内流场分布及温度变化
280
275 1.0 图 5 为液氮预冷不同时刻罐内流场分布及截
10
0.1
270 面流线图，液氮进入罐内发生相变形成低温 BOG，
文献模拟值
文献实际值
265 在重力作用下沉降至壁面后，因罐壁的阻挡作用沿
0 1 2 3 4 着罐壁继续运动，左右两侧形成涡旋。液氮预冷前
时间/h
期，罐内流体温度高、密度小，重力的作用较弱，受
图 4 模型验证结果图 出口气体扰动无法维持原本垂直向下的运动轨迹，
Fig. 4 Plot of model validation results 加之罐体球形结构影响，运动轨迹向出口侧发生较

−1
蒸发冷凝因子取 0.1 s 时的模拟结果最接近 大偏移，形成一大一小的涡旋，导致罐内流场呈非
−1
实际，因此本文的蒸发冷凝因子取 0.1 s 。通过模 对称分布。随着预冷的进行，罐内流体温度持续降
−1
拟（蒸发冷凝因子取 0.1 s ）与实验的数据对比，两 低，重力的惯性作用增强，两侧涡旋尺寸趋同发展，
者最大误差为 0.68%，表明所构建的数值模型较为 小涡旋尺寸逐渐增大。

−1
速度/（m·s ）
3.30
3.15
3.00
2.85
2.70
2.55
2.40
2.25
2.10 y y y
1.95
1.80 t=0.5 h x z t=10 h x z t=20 h x z
1.65
1.50
1.35
1.20
1.05
0.90
0.75
0.60
0.45
0.30
0.15 y y y
0
t=0.5 h x z t=10 h x z t=20 h x z
图 5 液氮预冷不同时刻罐内流场分布及截面流线图
Fig. 5 Distribution of flow field and cross-section flow line diagrams in the tank at different moments

液氮预冷不同时刻壁面温度分布如图 6 所示， 罐的侧上方和侧下方。液氮汽化形成的低温 BOG
液氮预冷前期壁面温度最高点与最低点出现在球 在流动过程中不断与周围流体及罐壁进行热量交