Page 58 - 《真空与低温》2026年第1期

彭子昂等：无人机机载液氢储罐热力耦合分析与轻量化改进 55

得临界压力为 0.174 MPa。 方法，模拟该无人机液氢储罐在液氮蒸发试验中的
1.3 网格划分及边界条件 温度分布，与液氮蒸发试验结果进行对照，并以此
对容器采用四面体网格划分方法，对支撑结构 为基础，预测储罐在液氢温区下的绝热性能。
采用多区域划分方法，对管道采用扫掠和四面体网 储罐的传热路径主要包括绝热结构传热、支
格划分方法，并在开孔处和支撑焊接处进行网格 撑结构导热以及管道导热，传热功率分别为 Q 1 、Q 2 、
加密，得到网格划分结果如图 3 所示，节点数为 Q 3 ，且 Q = Q 1 + Q 2 + Q 3。各条传热路径的传热量
2 052 559，单元数为 951 543。 计算方法如式（12）所示，计算中使用的物性参数
如表 4 所列，计算得到 Q 1 =0.35 W、Q 2 =0.68 W、Q 3 =
0.16 W、Q=1.26 W。


Q 1 = A 1 q LH 2



 T 2 w

 8A z
Q 2 = λ z (T)dT




l z （12）
 T 1


 T 2 w


 3A g

Q 3 = λ g (T)dT



 l g
T 1
2
图 3 网格划分结果 式中： A 1为内容器外表面积，m ； A z为支撑结构横
2
Fig. 3 Grid model of liquid hydrogen tank 截面积，m ； l z为支撑结构长度，m； A g为管道横截面

2
积，m ； l g为管道长度，m； λ z (T)为支撑材料导热系数，
液氢储罐施加的边界条件包括四类（如图 4 所
W/（m·K）； λ g (T)为管道材料导热系数，W/（m·K）。
示），具体分析有：

重力载荷：所有结构施加重力载荷，方向为 Y 轴 表 4 液氢蒸发传热量计算参数
2
负方向，加速度取值为 9.81 m/s ； Tab. 4 Calculation properties for liquid hydrogen evaporation
压力载荷：液氢储罐工作时，外容器承受 0.1 MPa 参数 值
的外压，内容器承受 0.6 MPa 的内压，容器之间为 A 1 /m 2 0.77
真空层。将壁面所承受的压差转化为压力载荷，对 /（W/m ） 0.46
2
q LH 2
外容器外壁面施加 0.1 MPa 的垂直于壁面向内的 A z /m 2 2.83×10 −5
压力载荷，对内容器内壁面施加 0.6 MPa 的垂直于
T 2 w
−1
−1
壁面向外的压力载荷； λ z (T)dT /（W·m ·K ） 0.397
热载荷：将稳态传热分析所得温度分布计算结 T 1
l z /m 0.036
果作为边界条件加载于应力分析模块中； 2 −5
A g /m 1.57×10
位移约束：在使用时，外罐被捆绑或夹持，对其
l g /m 1.2
外表面施加环形固定约束。
T 2 w λ g (T)dT /（W·m ·K ） 15.24
−1
−1
B: 静态结构 D
时间: 1 s T 1
C
2025/7/16 16:36
A 标准地球 A B 在进行液氢蒸发仿真时，储罐内壁面温度设置
重力: 9 806.6 mm/s 2
B 固定支撑 为−253 ℃；外容器壁面温度设置为 20 ℃；在内容
C 压力: 0.6 MPa 器外壁面施加 0.46 W/m 的热流密度，计算得到
2
D 压力2: −0.1 MPa
液氢蒸发试验中储罐的温度分布和热通量分布
图 4 载荷分布示意图 如图 5 所示，支撑结构的温度从外容器侧到内容器
Fig. 4 Diagram of Loads application 侧逐渐降低，热量通过支撑结构进入到内容器中。

支座与支撑的过渡结构处温度为−4 ℃，支撑与内
2 热力耦合计算结果与优化
容器的结构过渡处温度达到−222 ℃，支撑棒在沿
2.1 稳态传热分析 容器厚度方向有较大的温度梯度，证明其作为低温
储罐绝热性能的好坏直接影响无人机的续航 支撑结构起到了很好的绝热效果。通过支撑结构、
时间，是设计时关注的重点。本节通过有限元仿真 绝热结构以及管道截面的总漏热数据如表 5 所列，