Page 42 - 《真空与低温》2025年第5期

金树峰等：大型液氢球罐预冷过程影响因素分析 581

换，过程中伴随温度升高和流速衰减。由罐内流场 2.1.2 液氢预冷罐内流场分布及温度变化
分布可知，低温 BOG 率先到达侧下方罐壁区域，此 图 7 为液氢预冷不同时刻罐内流场分布及截
时 BOG 温度低、流速快，与壁面的换热效果好，该 面流线图，液氢进入罐内迅速汽化形成低温 BOG，
区域壁面降温快；随着 BOG 继续流动到达侧上方 在重力作用下达到球罐底部，因罐壁阻挡作用沿着
罐壁区域完成循环，此时 BOG 温度升高、流速减 壁面向上爬升到达顶部完成循环，左右两侧形成涡
慢，与壁面的换热效果减弱，该区域壁面降温较慢。 旋。氢气因物理性质上的差异，预冷过程中的罐内
因此，壁面温度极值出现在球罐侧上方与侧下方的 压力较小，与外界压差小，受出口气流扰动的影响
对应位置。此外，由于罐内流场的作用，壁面温度 小，能够维持原本的运动轨迹，两侧涡旋保持尺寸
极值的位置会随流场变化而转移。 相仿的状态，罐内流场呈现对称分布。

温度/K 温度/K 温度/K
293.0 263 225.0
292.5 261 223.5
222.0
292.0 259 220.5
291.5 257 219.0
291.0 255 217.5
290.5 253 216.0
214.5
290.0 251 213.0
289.5 249 211.5
247
210.0
289.0 245 208.5
288.5 243 207.0
288.0 y 241 y 205.5 y
204.0
287.5 239 202.5
287.0 （a）t=0.5 h z 237 （b）t=10 h z 201.0 （c）t=20 h x z
图 6 液氮预冷不同时刻内壁面温度分布
Fig. 6 Temperature distribution of inner wall surface at different moments

−1
速度/（m·s ）
3.30
3.15
3.00
2.85
2.70
2.55
2.40
2.25 y y y
2.10
1.95 t=0.5 h x z t=10 h x z t=20 h x z
1.80
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 7 液氢预冷不同时刻罐内流场分布及截面流线图
Fig. 7 Distribution of flow field and cross-section flow line diagrams in the tank at different moments

液氢预冷不同时刻壁面温度分布如图 8 所示， 慢，与壁面的换热效果差，此区域壁面降温慢。
液氢预冷时壁面温度最高点与最低点出现在球罐 2.1.3 液氮与液氢预冷对比分析
的顶部和底部。由液氢预冷时的罐内流场分布情 液氮和液氢预冷时壁面最大温差随时间变化
况可知，液氢汽化形成的低温 BOG 率先到达球罐 如图 9 所示，两者壁面最大温差随着预冷的进行均
底部，此时 BOG 温度低、流速快，与壁面的换热效 呈先增后减的趋势，分别在预冷第 13 h、17 h 出现
果好，该区域壁面降温快。低温 BOG 继续沿着罐 极值 25.91 K、47.79 K。液氮预冷时壁面最大温差
壁向上运动至球罐顶部，此时 BOG 温度高、流速 的极值仅为液氢预冷时的 54.22%，表明其预冷均