Page 58 - 《真空与低温》2026年第2期

张荣达等：液氢贮箱加注-保持-排气式预冷特性及影响因素研究 177

气液界面间、进液流体、排出气体、进入气体。 比后进行估算。
1.2 控制方程
贮箱 CHV 预冷在低温液体注入阶段需考虑外 表 2 液氢贮箱 CHV 预冷模型中沸腾传热关联式
界质量及能量流入，排气阶段需考虑部分气体流出， Tab. 2 Boiling correlations in CHV chilldown model
因此不同阶段质量及能量守恒方程存在差异，以加 沸腾传 传热关联式 [16]
注阶段为例建立控制方程如下： 热阶段
q nb = 6 309∆T 2.52
 q nb
m g ( j+1) = m g ( j)+dm lin η+dm gl +dm wl

 ( ) [ ] 0.25

 p 5.68 σg(ρ l −ρ g )
m l
 ( j+1) = m l ( j)+dm lin (1−η)−dm gl −dm wl
 q CHF q CHF = 0.18−0.14
 h fg ρ g
 2
 p cr ρ
 g
 Q gi − Q il
dm gl = dt （1）


 h fg ∆T −∆T CHF
 (q CHF −q L )
 q tb q tb = q CHF −


 Q wl ∆T L −∆T CHF

dm wl = dt


[ ] 0.25
h fg σg(ρ l −ρ g )
q L q L = 0.031h fg ρ g
(ρ l +ρ g ) 2

d(m g u g ) dm lin

 =
 ηh g − Q gi + Q wg 2
 0.37+0.28l (h fg +0.34c pl ∆T)
 dt dt
′
 ∆T,h =
 q fb = (
 ) 0.25 fg
 d(m l u l ) lµ g ∆T h fg

 dm lin q fb

 =
 (1−η)h l + Q il + Q wl 3 ′
 λ ρ g (ρ l −ρ g )gh
 dt dt （2） g fg

d(m i u i )



 = Q gi − Q il

 dt
 1.4 模型计算流程



 d(C pw T w )


 贮箱 预冷模型的计算流程是由多个含加
m w = Q leak − Q wl − Q wg CHV
dt
注、保持和排气三大阶段的预冷周期组合而成，随
式中：h f 为气体潜热，J/kg；u 为内能，J/kg；t 为时间，
g
着周期不断推进，贮箱壁温降低，直至冷却到目标
s；j 为时间步长；下标 i 为气液界面。
温度（T w ≤T exp ），即可结束预冷。对每一个预冷周
其中，加注过程如果贮箱内压力低于进液流体
期而言各阶段间转换依据不同，当注入液氢达到固
饱和压力便需要考虑液体闪蒸，闪蒸系数的具体定
义为： 定周期加注质量时（M≥M fix ）结束加注模拟转入保
持阶段，当贮箱压力已经到达最大工作压力限值
h lin −h lsat
η = （3） （p≥p max ）或 气 体 与 壁 面 换 热 足 够 充 分 时 （∆T uw ≤
h fg
∆T uwmin ）结束保持模拟转入排气阶段，贮箱排气接
式中：h lsa 为入口液体饱和压力下对应的焓值，J/kg。
t
近于真空时（p≤p vac ）可开始模拟下一个预冷周期，
1.3 传热模型
具体计算流程如图 2 所示。
贮箱 CHV 预冷模型各节点间仅考虑对流传
1.5 模型验证
热，其中，壁面与气体间为自然对流传热，气体及液
贮箱 CHV 预 冷 模 型 是 由 MATLAB 2024b 编
滴与气液界面间的传热需要结合流速判断选择，
译而成，氢的全部物性均通过使用 NIST 参考流体
液滴与壁面间传热需考虑到液氢沸腾传热的特殊
特性数据库（REFPROP）获得。由于目前还没有在
性 [14-15] ，故选择以液氢实验数据为基础得出的关联
式进行预测 [16-18] ，如表 2 所列。 轨液氢贮箱预冷数据，为验证模型准确性，选择与
3
2
表中，q 为热流密度，W/m ；ρ 为密度，kg/m ；σ Honkonen 等 [10] 开发的 CHV 预冷代码所模拟的冷
为表面张力，N/m； ΔT 为壁面过热度，K；μ 为动力黏 却过程进行对比验证，验证案例预冷参数如表 3 所
度，Pa∙s；σ 为表面张力，N/m；λ 为导热率，W/（m·K）； 列。将本文模型模拟得到的预冷性能关键参数与
3
ρ 为密度，kg/m ；下标 cr、CHF、L、fb、nb、tb 分别 之对比，如表 4 所列，发现相同预冷时间内，预冷循
为临界状态、最大热流密度点、莱顿费罗斯特点、 环次数相同，消耗质量及壁面冷却温差十分接近；
膜态沸腾区域、核态沸腾区域、过渡沸腾区域。考 对比两者预冷过程如图 3 所示，发现壁面温度及贮
虑贮箱预冷模型中液滴以弥散流形式存在，各节点 箱压力变化曲线吻合程度高，两模型的壁温变化平
间传热面积需进一步假设液滴为球形，并合理设置 均相对误差约为 5.8%，表明在轨液氢贮箱 CHV
其结构尺寸以及液滴与壁面、气体区域的接触占 预冷模型得到较好验证。