Page 81 - 《真空与低温》2026年第1期

78 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

pronounced temperature fluctuations during gravity transitions，showing slight decreases under hyper gravity and increases
when normal gravity is restored，with the variations becoming more significant in the upper regions of the ullage. Under vari-
able-gravity conditions，the convective heat transfer power between the liquid phase and the tank wall is higher than that of
the vapor phase. During the transition from hypergravity to microgravity，the heat transfer power decreases significantly，and
as the gravitational acceleration approaches zero，the minimum heat transfer power also approaches zero. During the recov-
ery from microgravity to normal gravity，a transient sharp increase followed by a decrease in the vapor–liquid heat transfer
power is observed. Moreover， the smaller the initial gravitational acceleration， the larger the fluctuation amplitude， which
may be an important cause of pressure and temperature oscillations within the system.
Key words：cryogenic propellant tank；self-pressurization；thermal stratification；variable gravity；numerical simulation；
thermal behavior

0 引言 重力下对液氮贮箱开展自增压及热分层现象实验
研究，在不同的液氮充注率工况下测量了气枕区压
低温清洁燃料正逐渐成为航空和航天推进系
力和贮箱内温度分布的变化情况，且给出了气液相
统的首选。无论是运载火箭还是新型飞机，箭体或
不同高度点位对应的温度测量值，提供了较为充分
者机身携带的燃料贮箱大都经历从地面升空、巡 [8]
航（在轨）以及返回等过程。其中特别是对于具有 的 实 验 数 据 参 考 。NASA 的 马 歇 尔 飞 行 中 心
对大型液氢储罐开展了一系列自增压实验研究，通
可回收重复利用能力的低温推进剂运载火箭而言，
过液氢综合测试平台 MHTB 给出了不同初始充注
低温推进剂贮箱必须同时满足地面停放贮存、超
率和漏热条件下的自增压实验数据，但温度测量值
重力发射、入轨滑行和变重力返回等复杂组合阶段
仅在贮箱底部和顶部布置，没有覆盖气液相全部区域。
的各种要求。除了变化的热环境，常重力、微重力、
超重力等交替转变过程对贮箱内的低温气液两相 而在微重力环境下的仿真大多使用 CFD 软件
流体的影响是不可忽视的因素。近年来，国内外针 进行。Kassemi 等 [9] 采用尖锐界面 CFD 模型计算
对低温推进剂贮存开展了大量研究，这些研究大多 液甲烷贮箱的自增压与热分层，并在太空站进行了
聚焦于单一稳定的常重力环境或固定的某个微重 真实的微重力环境自增压实验，给出了压力测量数
力环境。比如，为了计算和预测贮箱内部的增压过 据与单一壁面温度数据，结果显示计算值与实验值
程和热分层现象，建立了多种热分层模型与自增压 存在一定偏差。王夕等 [10] 基于相平衡与三种非平
计算模型，并在特定的贮箱形状、尺寸和边界条件 衡理论，在 FLUENT 软件中建立了多种仿真模型，
下预测贮箱内部温度分布和压力变化。在常重力 旨在模拟低温贮箱内的压力上升过程。进而利用
下的仿真计算方面，早期 Lin 等 采用储罐内气液 国外 Aerobee 探空火箭的微重力试验数据，对建立
[1]
相温度和压力均匀分布的均质模型，并结合热力学 的不同计算模型进行对比分析，但仅限于球形贮箱
第一定律预测储罐压力随时间变化，在实验测量 几何模型且无法适应重力变化条件。刘展等 [11] 也
中实际压力上升速率高出理论预测值 1～10 倍。之 在 FLUENT 平台利用 VOF 界面追踪模型和 Lee 相
后 Estey 等 采用气相、液相、界面的三分区模型， 变模型，研究了不同既定微重力水平下贮箱内流体
[2]
预测了压力、气液相温度和蒸发量变化，但缺少与 分布形态及增压过程，但没有对温度进行分析。
实验数据的对比验证。Bailey 等 [3-4] 虽构建了边界 总体而言，现存的集总参数自增压仿真模型
层模型，但由于未考虑液体内部的温差和热交换， 一方面对贮箱内自然对流和三维热分层的建模过
使得计算结果与实验值误差较大。Daigle 等 [5] 基 于简化，将气、液相内部视为均质单一节点，过度
于 MATLAB 开发了包含边界层的多节点分区模型， 丢失刻画气液相内部不同位置的不同热力学行为的
用于模拟贮箱内的热分层和增压过程，适用于有进 细节；另一方面无法适应变重力计算要求，仅支持
气排液的开口系统而非自增压过程，但温度和压力 单一重力加速度值的模拟。而微重力模拟则主要依
仅通过理想气体方程进行关联，且并未参考实验数 赖计算流体动力学（CFD），虽然能够一定程度揭示
据进行验证。Wang 等 同样使用三分区模型对液 微重力下表面张力主导的流体行为及局部过热现
[6]
氢储罐的自增压进行了精准的预测，但缺乏对气液 象，但这种方法计算消耗大，不适用于描述长时间
[7]
相内部热分层的计算。在实验方面，Seo 等 在常 内重力连续且快速变化的过程。本文采用 Python