饱和氢气加注过程中低温贮箱降温特性及热应力分布的数值研究.pdf

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1、第48卷第5期西安交通大学学报Vo1．48NO．52014年5月JOURNALOFXI’ANJIAOTONGUNIVERSITYMay2014DOI：10．7652／xjtuxb201405001饱和氢气加注过程中低温贮箱降温特性及热应力分布的数值研究朱康，厉彦忠h，王磊，文键，李翠(1．西安交通大学能源与动力工程学院，710049，西安；2．航天低温推进剂技术国家重点实验室，100028，北京)摘要：为了获得低温贮箱在饱和氢气加注过程中的降温特性以及箱体壁面的热应力分布，通过计算流体力学软件FLUENT计算了一定加注流量下贮箱内部流体区域的流场、温度场和壁面

2、内的温度场变化，分析了加注过程中贮箱内的流动特性和降温特性；采用单向流固耦合方法进行壁面热应力分析，得到了3种不同进、出口约束条件下热应力在壁面中的分布以及最大热应力随时间的变化情况，并分析了进、出口弹性支撑约束条件设置的合理性；考虑贮箱内的压力变化，进行了箱体壁面的综合应力分析。计算结果表明：加注过程可以分为3个阶段，前2个阶段贮箱内部的流场、温度场和壁面温度分布特性依次由入口强制对流和壁面自然对流单独决定，第3阶段由入口强制对流及壁面自然对流共同决定；在3种不同的约束条件下，箱体壁面中的最大热应力均出现在贮箱加注口和排气口处，在进、出口弹性支撑条件下，壁面

3、最大热应力随时间先增大而后趋于稳定，在稳定应力状态下，热应力的存在使箱体壁面总应力增加了15左右。关键词：液体火箭；低温贮箱；饱和氢气；低温加注；降温特性；热应力中图分类号：TK121文献标志码：A文章编号：0253—987X(2014)05-0001—07InvestigationonCool·DownBehaviorandThermalStressofCryogenicTankDuringSaturatedHydrogenGasFillingProcessZHUKang，LIYanzhong，WANGLei，WENJian，LICui(1．Schoolof

4、EnergyandPowerEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China；2．StateKeyLaboratoryofTechnologiesinSpaceCryogenicPropellants，Beijing100028，China)Abstraet：AnumericalstudyiSperformedonthecool—downbehaviorandthermalstressOfacryogenictankduringthesaturatedhydrogengasfillingprocess．

5、CFDsimulationiscarriedouttoobtaintheflowandtemperaturedistributionsinsidethetankandthetemperaturedistributionofthetankwallunderaspecificfillingrate．Thentheflowandcoolingcharacteristicsofthetankduringthefillingprocessareanalyzed．Thethermalstressinthetankwallunderthreedifferentconstra

6、intsoftheinletandoutletiScalculatedwithunidirectionalfluid—solidcouplingmethod，andthespatialdistributionandtransientbehaviorofthethermalstressarerevealed．Inaddition，therationalityofapplyingelasticsupportstotheinletandoutletisdemonstrated，andtheintegratedstressi11thetankwalliScalcula

7、tedwiththepressurevariationinthetanktakenintoaccount．Numericalresultsshowthatthefillingprocesscanbedividedintothreesteps，where收稿日期：2013—11—21。作者简介：朱康(199O一)，男，博士生；厉彦忠(通信作者)，男，教授，博士生导师。基金项目：国家自然科学基金资助项目(51376142)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100201110012)；航天低温推进剂技术国家重点实验室基金资助项目(SKLTSCP12

8、13)；中国博士后科学基金资助项目(2