Page 76 - 《真空与低温》2026年第2期

姚 磊等：微重力下低温贮箱热力学排气系统参数分析及性能优化 195

分布。可以看出，储罐中发生了热分层。壁面附近 气率（%）及喷嘴尺寸（m）。
推进剂温度较高，而贮箱中心推进剂温度较低，储
罐中心至壁面的温度梯度存在明显的温度梯度。 温度/K
22.7
热传导在储罐中占主导地位。但由于低温推 22.6
22.5
进剂的热阻，外部热量传递到储罐中心液体的量减 22.4
22.3
少，并形成热分层。储罐中的最低温度为 20.86 K， 22.2
22.1
22.0
发生在储罐中心，最高温度为 22.76 K，发生在圆柱 低温区域 21.9
21.8
面和椭圆形封头的交叉处。 21.7
21.6
3.2 正交试验结果 高温区域 21.5
21.4
21.3
当储罐压力达到 150 kPa 时，TVS 系统开启， 21.2
21.1
循环泵抽取储罐内工质，完成后续节流、换热以及 21.0
20.9
排气和喷射过程，实现对储罐的控压控温。后续降
压过程均以此（图 6）作为初始条件。图 7 显示了 图 6 液氢储箱 150 kPa 时的温度分布
喷射过程中 16 组不同工况下的压力变化。图中图 Fig. 6 Temperature distribution in liquid hydrogen
例格式为“p-φ-l n ”，分别对应节流阀背压（kPa）、排 tank at 150 kPa

155 流量: 0.01 kg·s −1 Case1：10, 1%, 0.005 155 流量: 0.02 kg·s −1 Case5：10, 2%, 0.025
150 Case2：20, 2%, 0.010 150 Case6：20, 1%, 0.050
145 Case3：30, 3%, 0.025 145 Case7：30, 4%, 0.005
140 Case4：40, 4%, 0.050 140 Case8：40, 3%, 0.010
135
压力/kPa 130 压力/kPa 135
130
125
125
120
115
115 120
110 110
p min p min
105 105
100 100
95 95
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20
时间/h 时间/h
（a）循环泵流量为0.01 kg·s −1 （b）循环泵流量为0.02 kg·s −1
155 流量: 0.03 kg·s −1 Case9：10, 3%, 0.050 155 流量: 0.04 kg·s −1 Case13：10, 4%, 0.010
150 Case10：20, 4%, 0.025 150 Case14：20, 3%, 0.005
145 Case11：30, 1%, 0.010 145 Case15：30, 2%, 0.050
140 Case12：40, 2%, 0.005 140 Case16：40, 1%, 0.025
压力/kPa 135 压力/kPa 135
130
130
125
125
120
115 120
115
110 110
p min p min
105 105
100 100
95 95
0 5 10 0 5 10
时间/h 时间/h
（c）循环泵流量为0.03 kg·s −1 （d）循环泵流量为0.04 kg·s −1
图 7 喷射过程中不同工况下的压力变化
Fig. 7 Pressure variation under different working conditions during injection process

如图 8 所 示 ， 工 况 13 的 喷 射 时 间 最 短 ， 为 节流流体增多，节流获得的冷量增加，在换热过程
2.68 h，而工况 2 的喷射时间最长，为 44.42 h。图 7 中主流流体可以获得更多冷量，喷射进入储罐的流
（a）至 图 7（d）的 平 均 喷 射 时 间 为 25.85 h、 9.42 h、 体温度变低，储罐内换热强化，故压降更迅速，在相
6.30 h 和 4.60 h。可以发现随着流量的增加平均压 同循环泵流量下，排气率越高压降越迅速，因为节
降时间逐渐减少，其主要原因是随着循环流量增多， 流流体比例增大，原因与增大流量压降迅速相同。