基于ZBO技术的空间低温贮箱强化换热数值模拟研究

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1、２０１６０３１６０００８０７王丽红第２２卷第２期载人航天Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．２２０１６年４月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＡｐｒ．２０１６基于ＺＢＯ技术的空间低温贮箱强化换热数值模拟研究王丽红，冶文莲，王田刚（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州７３００００）摘要：针对载人航天和深空探测对低温推进剂长期在轨存储技术的研究需求，提出了一种基于主动制冷技术和流体混合技术的ＺＢＯ新型空间低温贮箱，建立了微重力下低温存储系统的３Ｄ模型，对六种采用不同换热结构低温贮箱的温度场和速度场进行了数值模拟和研究。通过对比分析，发现热管位置和混合泵

2、以及冷头的传输效率是影响低温贮箱性能的主要因素，低温贮箱结构采用单混合泵侧喷和低温热管加环肋时最高温度最低，温差最小，具有较好的冷却效果。模拟结果有助于提高低温存储系统的性能，为空间低温贮箱的优化设计提供参考依据。关键词：微重力；低温贮箱；ＺＢＯ；热管；混合泵中图分类号：Ｖ５１１＋．６文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１６）０２⁃０１６４⁃０５ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｎＦｏｒｃｅｄＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｏｆＳｐａｃｅＣｒｙｏｇｅｎｉｃＴａｎｋＢａｓｅｄｏｎＺＢＯＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷＡＮＧＬｉｈｏｎｇ，Ｙ

3、ＥＷｅｎｌｉａｎ，ＷＡＮＧＴｉａｎｇａｎｇ（ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＶａｃｕｕｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＬａｎｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍｏｎ⁃ｏｒｂｉｔｓｔｏｒａｇｅｏｆｔｈｅｃｒｙｏｇｅｎｉｃｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｆｏｒｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｆｌｉｇｈｔａｎｄｄｅｅｐｓｐａｃｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｃｒｙｏｇｅｎｉｃｔａｎｋｂａｓｅｄｏｎＺＢ

4、Ｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｗｈｉｃｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｈｅａｃｔｉｖｅｃｏｏｌｉｎｇａｎｄｌｉｑｕｉｄｍｉｘｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｉｎｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙｗａｓｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｐａｃｅｃｒｙｏｇｅｎｉｃｔａｎｋｓｗｉｔｈｓｉｘｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｄｅ⁃ｔａｉ

5、ｌ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｅａｔｐｉｐｅ，ｔｈｅｐｕｍｐｕｎｉｔ，ａｎｄｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｆｉｎｇｅｒｗｅｒｅｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｃｒｙｏｇｅｎｉｃｔａｎｋ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｔｈｅｌｏｗｅｓｔａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｗａｓｍｉｎｉｍｕｍｗｈｅｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｍｉｘｉｎｇ⁃ｐｕｍｐａｔａｓｉｄｅｏｆ

6、ｔｈｅｔａｎｋａｎｄｒｉｎｇｆｉｎｓｏｎｔｈｅｃｏｏｌｔｉｐｗａｓａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋ，ｗｈｉｃｈｗａｓｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｙｌｅ．Ｔｈｅｆｉｎｄｉｎｇｓｗｉｌｌｂｅｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｒｙｏｇｅｎｉｃｌｉｑｕｉｄｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｒｙｏｇｅｎｉｃｔａｎｋｉｎｓｐａｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙ；ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｔａｎ

7、ｋ；ｚｅｒｏｂｏｉｌ⁃ｏｆｆ；ｈｅａｔｐｉｐｅ；ｍｉｘｉｎｇ⁃ｐｕｍｐ推进剂处于气液两相流状态，存在热分层，使其长１引言［１］期存储不易于实现。为了实现低温推进剂的长低温推进剂如液氢、液氧和液态甲烷等具有比期在轨存储并提高其贮运安全性，ＮＡＳＡ提出了低冲高、清洁、无毒无污染的特点，在航天中的应用越温推进剂零蒸发损耗（ＺｅｒｏＢｏｉｌ⁃ｏｆｆ，简称ＺＢＯ）技［２⁃４］来越广泛。但是由于低温推进剂的饱和温度相对术，该技术将主动制冷技术和被动多层绝热技较低，易于受热蒸发，并且微重力下低温贮箱内的术相互配套来实现贮箱压力控制而不需要排气，用收稿日期：２０

8、１５⁃０８⁃１５；修回日期：２０１６⁃０２⁃０３基金项目：载人航天预先研究项目（０６０３０１）作者简介：王丽红（１９７３－），女，硕士，