熱力學(xué)排氣工作過程中流體熱分層實(shí)驗(yàn)研究

劉 展，張曉嶼，張少華，劉 欣，厲彥忠

(1. 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京 100076)

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熱力學(xué)排氣工作過程中流體熱分層實(shí)驗(yàn)研究

劉 展1，張曉嶼2，張少華2，劉 欣2，厲彥忠1

(1. 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京 100076)

基于地面熱力學(xué)排氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以R123為工質(zhì)，在初始液位0.595 m、外部漏熱800 W的工況下，研究了箱體增壓、混合噴射降壓、節(jié)流制冷以及自然冷卻等不同工作過程中箱內(nèi)流體溫度分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在增壓階段，箱內(nèi)流體溫度分層發(fā)展良好。在混合噴射階段，當(dāng)循環(huán)流量為96 L/h時(shí)，熱層厚度發(fā)展速率為1.57 mm/min；而當(dāng)循環(huán)流量增加到152 L/h時(shí)，熱層厚度增加率為1.07 mm/min。熱分層充分發(fā)展大約耗時(shí)5.48 h。在節(jié)流制冷階段，液相溫度變化基本控制在1.98 ℃以內(nèi)，氣相最大溫降13 ℃。自然冷卻階段開始15 min后，制冷噴射的影響逐漸消失。在外部空氣冷卻下，氣相溫度逐漸趨于頂部溫度最低、界面溫度最高的線性分布；液相測(cè)點(diǎn)則基本上以恒定的速率平行向溫度降低方向推進(jìn)。

低溫推進(jìn)劑；熱分層；熱力學(xué)排氣；控壓模式

0 引 言

由于低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)存溫度較低，在外部漏熱下，很容易形成熱分層。熱分層將直接影響低溫流體蒸發(fā)以及貯箱壓力變化。因此研究低溫推進(jìn)劑熱分層問題對(duì)其長(zhǎng)期空間在軌貯存具有重要意義[1]。

目前，研究人員在流體熱分層方面開展了大量研究。Bailey等[2]對(duì)低溫流體熱分層過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出流體溫度分布曲線。Robbins等[3]開發(fā)了用于預(yù)測(cè)不同工況流體分層的程序。Yu等[4]采用積分方法研究了熱分層中對(duì)流邊界層的瞬態(tài)發(fā)展過程。Khurana等[5]與Fu等[6]研究了肋片對(duì)箱內(nèi)流體溫度分布的影響。Oliveira等[7]與Liu等[8]對(duì)旋轉(zhuǎn)箱體內(nèi)部流體分層過程進(jìn)行了分析研究。針對(duì)低溫推進(jìn)劑箱體的地面貯存[9]、升空入軌[10-11]以及在軌運(yùn)行[12-13]，研究人員采用CFD技術(shù)對(duì)不同階段箱體的壓增過程進(jìn)行了預(yù)測(cè)，分析了箱內(nèi)流體溫度分布情況。

綜上可知，研究人員在熱分層理論、實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬方面開展了相應(yīng)的研究，獲得了相關(guān)的熱分層理論模型，掌握了熱分層的基本物理過程。由于熱力學(xué)排氣對(duì)低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌貯存及箱體壓力控制具有重要意義，有關(guān)熱力學(xué)排氣的研究仍在探索階段。考慮到已發(fā)表文獻(xiàn)往往僅針對(duì)某一過程開展流體分層研究，而熱力學(xué)排氣過程涉及到箱體增壓、混合噴射、節(jié)流制冷以及自然冷卻等不同階段，整個(gè)過程中流體溫度分布十分復(fù)雜。鑒于此，本文基于地面熱力學(xué)排氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用R123為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，對(duì)熱力學(xué)排氣工作過程中不同階段進(jìn)行流體溫度分層的全周期實(shí)驗(yàn)研究，著重分析流體分層在不同階段的發(fā)展情況。相關(guān)工作有助于加深研究人員對(duì)流體熱分層發(fā)展過程的理解與認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本流體溫度分層實(shí)驗(yàn)是在已搭建地面熱力學(xué)排氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開展的，實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)罐、冷凝回收裝置、循環(huán)泵、節(jié)流閥、電加熱裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、PLC控制系統(tǒng)以及溫度傳感器、壓力傳感器。實(shí)驗(yàn)罐材質(zhì)為4 mm厚304不銹鋼，由柱段及上下封頭組成，柱段高度及直徑均為800 mm，上下封頭高218 mm。實(shí)驗(yàn)罐柱段纏繞電加熱帶，加熱功率通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)采集儀采用Agilent34970多通道數(shù)據(jù)采集裝置。在節(jié)流管路以及排氣管路上分別設(shè)有Pt100溫度傳感器。為判斷熱力學(xué)排氣節(jié)流制冷模式何時(shí)開啟，在測(cè)試罐體底部也設(shè)有Pt100傳感器，其測(cè)量溫區(qū)為0～100℃，測(cè)量精度為±0.1℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

箱內(nèi)流體溫度以及箱體壁面溫度全部采用T型熱電偶測(cè)得。加工的熱電偶經(jīng)過標(biāo)定后，分別布置在箱體內(nèi)部測(cè)溫棒以及箱體壁面，如圖2所示。為測(cè)量箱內(nèi)流體溫度在高度方向的分布，分別設(shè)置了兩個(gè)不銹鋼測(cè)溫棒，熱電偶通過卡套固定在測(cè)溫棒上，每個(gè)測(cè)溫棒上均布16支熱電偶，熱電偶從下到上依次排布。當(dāng)箱體壁面熱電偶布置完畢后，將電加熱帶纏繞在測(cè)試罐柱段。為減少電加熱裝置向外部環(huán)境的漏熱，緊貼電加熱帶的部分包裹30 mm厚玻璃纖維棉+10 mm厚聚氨酯泡沫。而測(cè)試罐其它部分只包裹40 mm厚聚氨酯泡沫。最后再在整個(gè)箱體外部包裹一層錫箔紙，以減少輻射漏熱。

圖2 熱電偶布置示意圖Fig.2 Schematic of thermocouple distribution

2 測(cè)量誤差分析

實(shí)驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)的直接測(cè)量誤差，可根據(jù)測(cè)量?jī)x表的精度等級(jí)進(jìn)行計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)中所用的主要測(cè)量設(shè)備及儀器均經(jīng)過標(biāo)定，Pt100鉑電阻以及T型熱電偶精度分別為±0.1 ℃與±0.3 ℃。

為減小測(cè)量隨機(jī)誤差，實(shí)驗(yàn)中對(duì)同一工況往往進(jìn)行多次測(cè)量，并對(duì)所測(cè)有限數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差獲得相應(yīng)的置信區(qū)間。

(1)

(2)

(3)

在置信度為95%時(shí)，置信區(qū)間為5.628±0.073 ℃?？梢钥闯?，大部分測(cè)試數(shù)據(jù)均集中在測(cè)量平均值附近，所以認(rèn)為測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可信。

表1 箱內(nèi)流體測(cè)點(diǎn)初始溫度

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在熱力學(xué)排氣正式實(shí)驗(yàn)開始之前，首先要經(jīng)過箱體打壓保壓實(shí)驗(yàn)以及抽真空實(shí)驗(yàn)，之后加注R123工質(zhì)。試車成功后才正式開展實(shí)驗(yàn)。箱內(nèi)初始液位為0.595m，外部漏熱約800W，實(shí)驗(yàn)罐首先經(jīng)歷漏熱增壓過程。當(dāng)箱體壓力增加到所設(shè)定壓力上限時(shí)，開啟循環(huán)泵，箱體底部過冷流體在循環(huán)泵的抽吸下，噴射到箱體內(nèi)部，以此降低箱體壓力。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)噴射降壓，箱內(nèi)流體溫度升高，一旦達(dá)到壓力下限所對(duì)應(yīng)飽和溫度，循環(huán)泵與節(jié)流閥同時(shí)打開，節(jié)流制冷模式開啟。待到節(jié)流制冷過程結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)箱體進(jìn)入自然冷卻階段。由于本文主要研究熱力學(xué)排氣過程中箱內(nèi)流體的溫度分層現(xiàn)象，有關(guān)熱力學(xué)排氣的控壓性能詳見文獻(xiàn)[14]。

3.1 流體溫度變化

由于測(cè)溫棒2與測(cè)溫棒1所測(cè)流體溫度變化一致，為此這里僅給出測(cè)溫棒1上流體測(cè)點(diǎn)溫度變化。圖3給出了熱力學(xué)排氣工作過程中，箱體內(nèi)部流體溫度隨時(shí)間變化。其中Part1為實(shí)驗(yàn)罐在外部漏熱下的增壓過程；Part2～3為循環(huán)泵抽吸箱體底部流體的混合噴射過程；Part4為熱力學(xué)排氣節(jié)流制冷過程；Part5為熱力學(xué)排氣工作停止后箱體自然冷卻過程。

圖3所示16個(gè)測(cè)點(diǎn)中，101～108測(cè)點(diǎn)浸入在液相區(qū)用來測(cè)試液相溫度，其余8支熱電偶用于測(cè)量氣相溫度。在Part1剛開始的階段，各液相測(cè)點(diǎn)溫度均保持相對(duì)穩(wěn)定，0.5h后，108測(cè)點(diǎn)溫度開始逐漸增加，107測(cè)點(diǎn)溫度也隨之增加，其它測(cè)點(diǎn)溫度則一直保持恒定。由于數(shù)據(jù)采集開始14min后電加熱才開啟，因此所有氣液相測(cè)點(diǎn)在剛開始階段保持相對(duì)恒定。另外，測(cè)點(diǎn)107～108處在電加熱帶加熱區(qū)域，所以在Part1中，在經(jīng)歷了初始的相對(duì)恒定后，兩測(cè)點(diǎn)溫度開始逐漸升高。其它液相測(cè)點(diǎn)在增壓階段僅通過氣液界面處高溫流體向下導(dǎo)熱，由于導(dǎo)熱量較少，測(cè)點(diǎn)101～106溫度基本沒變化。在混合噴射過程，隨著外部漏熱以及高溫液體向下滲透，各液相測(cè)點(diǎn)溫度均呈現(xiàn)不同程度的增加。然而101～103測(cè)點(diǎn)在Part2階段基本保持不變。這是由于在該階段高溫流體還沒有滲透到此液位，導(dǎo)致這3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度基本不變。直到Part3開始，測(cè)點(diǎn)101～103溫度才出現(xiàn)階梯型上升。進(jìn)入節(jié)流制冷階段后，在噴射流體的冷卻下，各測(cè)點(diǎn)溫度均維持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。節(jié)流制冷模式停止后，在外部自然對(duì)流冷卻下各測(cè)點(diǎn)溫度逐漸降低。

由于氣相熱容較小，在外部漏熱下，其溫度有較快的升高。在Part1中，氣相測(cè)點(diǎn)經(jīng)歷了初始靜置過程后，當(dāng)電加熱開啟，各氣相測(cè)點(diǎn)均隨時(shí)間呈迅速增加的態(tài)勢(shì)。待箱體壓力達(dá)到所設(shè)壓力上限，此時(shí)混合噴射模式開啟。盡管此時(shí)混合噴射模式開啟，氣相測(cè)點(diǎn)110～116溫度仍呈現(xiàn)波動(dòng)增加的變化，如圖3Part2所示。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)榇藭r(shí)噴射循環(huán)流量Vcir為96 L/h(見圖4)，噴射流體不足以將外部漏熱量全部帶走，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)110～116在該階段溫度仍波動(dòng)升高。大約經(jīng)過12個(gè)噴射周期后，噴射流體將大部分氣相積聚的漏熱轉(zhuǎn)移到液相，這7個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度才逐漸趨于穩(wěn)定。進(jìn)入Part 3后，Vcir從96 L/h增加到152 L/h。由于循環(huán)流量的增加，導(dǎo)致噴射流體所帶冷量增加。在大流量噴射時(shí)，氣相測(cè)點(diǎn)110～116得到了較好的冷卻，各測(cè)點(diǎn)溫度均隨時(shí)間波動(dòng)降低。不同于測(cè)點(diǎn)110～116，測(cè)點(diǎn)109在線性增加后，就一直處于相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)。這是由于該測(cè)點(diǎn)處在氣液界面處，測(cè)點(diǎn)109的溫度變化基本上反映了界面流體飽和溫度的變化，所以在整個(gè)混合噴射過程中，測(cè)點(diǎn)109溫度始終保持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。在混合噴射后期，箱內(nèi)大部分液相溫度已接近熱力學(xué)排氣節(jié)流制冷開啟的設(shè)定溫度，箱體控壓進(jìn)入節(jié)流制冷階段。在該階段內(nèi)，由于有冷量的輸入，氣液相溫度均得到了較好的冷卻。2h后，節(jié)流制冷過程結(jié)束，熱力學(xué)排氣及電加熱裝置運(yùn)行停止，在外部空氣自然對(duì)流的冷卻下，氣相溫度近似線性降低。

圖3 不同測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig.3 Temperature variation of different test points

圖4 循環(huán)流量Vcir變化Fig.4 Variation of circulation volume flow

3.2 流體熱分層分析

第3.1節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中流體溫度隨時(shí)間變化進(jìn)行了分析，本節(jié)將對(duì)測(cè)溫棒上各測(cè)點(diǎn)溫度在高度方向上的分布進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖5展示了測(cè)試罐在外部漏熱增壓過程中不同測(cè)點(diǎn)溫度分布。由于電加熱在實(shí)驗(yàn)開始14 min后才開啟，所以在前12 min內(nèi)，箱內(nèi)氣液相溫度基本保持不變，之后氣相溫度迅速增加。大約24 min后，氣相區(qū)在高度方向形成了良好的溫度分布。在外部漏熱下，箱內(nèi)氣相溫度平行向前推進(jìn)。從測(cè)點(diǎn)109到測(cè)點(diǎn)113，各測(cè)點(diǎn)溫度隨高度的增加而增加。而測(cè)點(diǎn)114～116則隨著高度的增加呈微弱降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)轫敳?個(gè)測(cè)點(diǎn)處在測(cè)試罐上封頭內(nèi)，箱體形狀對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度產(chǎn)生了一定影響。由于本實(shí)驗(yàn)工況初始液位為0.595 m，這3個(gè)測(cè)點(diǎn)所受影響還不是特別大；當(dāng)液位高于0.595 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)114～116溫度受箱體形狀的影響將更大。對(duì)于液相測(cè)點(diǎn)，在90 min的增壓過程中，測(cè)點(diǎn)101～105溫度幾乎保持不變，106測(cè)點(diǎn)有微弱的溫度升高。如前所述，由于界面處高溫流體來不及向底部導(dǎo)熱或?qū)崃枯^少，加之沒有電加熱帶的直接加熱，最終導(dǎo)致了101～106測(cè)點(diǎn)溫度的相對(duì)恒定。反觀107與108測(cè)點(diǎn)，在電加熱的直接加熱下，兩測(cè)點(diǎn)溫度均有顯著的升高。由于靠近氣液界面，在108與109測(cè)點(diǎn)間形成了較大的溫度梯度。在增壓90 min內(nèi)，109測(cè)點(diǎn)溫度從5.65 ℃增加到73.04 ℃，108測(cè)點(diǎn)溫度則從5.62 ℃增加到65.91 ℃。整體上，在箱體靜置增壓過程中，箱內(nèi)流體溫度分布良好。

當(dāng)循環(huán)流量為96 L/h時(shí)，在混合噴射模式下各測(cè)點(diǎn)溫度分布，如圖6所示。由于噴射口均勻分布在115測(cè)點(diǎn)以下，所以氣相測(cè)點(diǎn)中109～114受噴射流體影響較大，最終導(dǎo)致各測(cè)點(diǎn)溫度在不同時(shí)刻下，隨著高度的增加而增加。在96 min時(shí)，噴射模式剛開啟，氣相溫度分布呈現(xiàn)出近似線性增加的趨勢(shì)。另外，通過仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)，在96～176 min內(nèi)，各氣相測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間是逐漸增加的。這也符合第3.1節(jié)所述，在Part 2中各氣相測(cè)點(diǎn)波動(dòng)升高的變化。176 min之后，由于噴射流體將大部分氣相積聚熱量轉(zhuǎn)移到液相區(qū)，各測(cè)點(diǎn)溫度開始有所降低或保持相對(duì)穩(wěn)定。待到216 min時(shí)，循環(huán)流量已增加到152 L/h，此時(shí)氣相溫度有了明顯的降低，已接近96 min所對(duì)應(yīng)的氣相溫度分布。在該階段，由于液相熱容較大，流體噴射對(duì)液相測(cè)點(diǎn)溫度影響并不明顯。然而，高溫流體的向下滲透以及導(dǎo)熱使得各液相測(cè)點(diǎn)溫度近似平行向前推進(jìn)。在96 min時(shí)，分層厚度發(fā)展到106測(cè)點(diǎn)，并在該處形成了較大的溫度梯度。120 min之后，熱層已滲透到103測(cè)點(diǎn)。由于這兩測(cè)點(diǎn)間距18.5 cm，所以可以認(rèn)為分層厚度增加率約為1.54 mm/min。在整個(gè)Part2階段，106測(cè)點(diǎn)從7.89 ℃增加到34.65 ℃，最大溫升26.76 ℃，102測(cè)點(diǎn)則從5.81 ℃增加到13.70 ℃。

圖7展示了循環(huán)流量增加到152 L/h之后，箱內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度分布。隨著循環(huán)流量的增加，噴射流體對(duì)氣相溫度產(chǎn)生了較大擾動(dòng)。整體上氣相溫度呈波動(dòng)降低的趨勢(shì)，但由于在該過程每隔8 min取一次數(shù)據(jù)，以致于有些測(cè)點(diǎn)處于增壓階段，有些則處于噴射冷卻階段，所以整個(gè)氣相測(cè)點(diǎn)并沒有形成較好的規(guī)律性。但通過對(duì)比216～224 min與320～328 min氣相測(cè)點(diǎn)溫度，仍可以看出在大流量噴射混合過程中氣相測(cè)點(diǎn)得到了相應(yīng)的冷卻。對(duì)于液相測(cè)點(diǎn)，經(jīng)過大約120 min的小流量混合噴射，熱層厚度已發(fā)展到103測(cè)點(diǎn)，在Part 3階段，熱量主要從測(cè)點(diǎn)103向下傳遞。從圖7可以看出，在216～312 min內(nèi)，101～103測(cè)點(diǎn)溫度基本平行向溫度升高的方向推進(jìn)。經(jīng)過96 min的混合，這3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度平均溫升21.335 ℃。當(dāng)分層發(fā)展到328 min時(shí)，各液相測(cè)點(diǎn)溫差逐漸變小，此時(shí)可認(rèn)為分層已基本發(fā)展到箱體底部。該階段分層發(fā)展較慢，分層厚度增加12 cm，耗時(shí)112 min，熱層增加速率為1.07 mm/min。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)工況，熱分層充分發(fā)展大約需要5.48 h。

圖5 增壓階段，流體溫度分布Fig.5 Fluid temperature distribution during the self-pressurization phase

圖6 混合階段Part 2，流體溫度分布Fig.6 Fluid temperature distribution during Part 2 of mixing phase

圖7 混合階段Part 3，流體溫度分布Fig.7 Fluid temperature distribution during Part 3 of mixing phase

圖8 節(jié)流制冷階段，流體溫度分布Fig.8 Fluid temperature distribution during the throttling refrigeration phase

圖9 自然冷卻階段，流體溫度分布Fig.9 Fluid temperature distribution during the free cooling phase

當(dāng)熱分層發(fā)展到箱體底部時(shí)，箱內(nèi)大部分流體已接近箱體所設(shè)壓力下限對(duì)應(yīng)的飽和溫度，此時(shí)節(jié)流制冷模式開啟，在該工作模式下，各測(cè)點(diǎn)溫度分布如圖8所示。在該階段，由于有冷量的帶入，箱內(nèi)氣液相均得到了相應(yīng)的冷卻?？紤]到每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)點(diǎn)所處狀態(tài)不同，上一時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)處于增壓過程，下一時(shí)刻可能就處于冷流體噴射過程。例如，在336 min時(shí)，113～116測(cè)點(diǎn)溫度大約在42.0～43.0 ℃內(nèi)；而360 min時(shí)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度均減小到41.0～41.8 ℃。在400 min時(shí)，氣相測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)較高；而40 min之后，各測(cè)點(diǎn)均被冷卻。氣相測(cè)點(diǎn)最大溫降為13 ℃。因此，由于不同時(shí)刻測(cè)點(diǎn)溫度所處狀態(tài)不同，不能嚴(yán)格的按照固定時(shí)間間隔內(nèi)流體溫度分布來評(píng)價(jià)分層規(guī)律以及制冷效果的好壞。對(duì)于液相測(cè)點(diǎn)，由于箱內(nèi)大部分流體溫度已接近壓力下限所對(duì)應(yīng)飽和溫度，此時(shí)節(jié)流制冷量的輸入對(duì)液相溫度產(chǎn)生了較大影響。與氣相溫度分布類似，受不同時(shí)刻工作過程的影響，液相各測(cè)點(diǎn)溫度也呈現(xiàn)出先增后降再增再降的變化，但總的來說，各液相測(cè)點(diǎn)溫度均維持在1.98 ℃內(nèi)。這也說明了熱力學(xué)排氣具有良好的制冷能力。

熱力學(xué)排氣實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，各裝置運(yùn)行停止，電加熱關(guān)斷，測(cè)試罐靜置在外部空氣中，箱體進(jìn)入自然冷卻階段，各測(cè)點(diǎn)溫度分布如圖9所示。容易看出，受制冷噴射過程的影響，在445 min與450 min時(shí)刻氣相測(cè)點(diǎn)仍出現(xiàn)不規(guī)律的溫度分布。制冷過程停止15 min后，冷流體噴射的影響才逐漸消失。從465 min開始，氣相測(cè)點(diǎn)109～113溫度隨高度增加而增加，而114～116測(cè)點(diǎn)溫度則隨高度增加而降低，該溫度分布一直持續(xù)到510 min。另外，由于測(cè)試罐柱段經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間加熱，柱段部分具有較高的壁面溫度，并且該部分包裹玻璃纖維棉，其熱阻較大，導(dǎo)致處在罐體柱段的測(cè)點(diǎn)溫度降低較慢。由于上封頭處絕熱熱阻較小，其得到了較好的冷卻，相應(yīng)的氣相測(cè)點(diǎn)溫度也迅速降低。因此，在555 min之后，出現(xiàn)了氣相測(cè)點(diǎn)溫度隨高度增加而降低的變化。該趨勢(shì)大致平行推進(jìn)到675 min。對(duì)于液相測(cè)點(diǎn)，在整個(gè)自然冷卻過程中，基本平行向溫度降低的方向推進(jìn)。至于圖9中105測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的不規(guī)則變化，主要是由于熱電偶中測(cè)量過程中微小擾動(dòng)所致。

4 結(jié) 論

基于熱力學(xué)排氣地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試了在熱力學(xué)排氣不同工作階段箱內(nèi)流體溫度分布，實(shí)驗(yàn)研究了箱內(nèi)流體在地面貯存時(shí)熱分層發(fā)展過程。所獲主要結(jié)論如下：

1)在漏熱增壓過程中，箱內(nèi)流體形成了較好的溫度分布，氣相測(cè)點(diǎn)向溫度升高的方向平行推進(jìn)，并在氣液界面處形成了較大的溫度梯度。

2)在混合噴射階段，氣相測(cè)點(diǎn)溫度受流體噴射影響較大；而液相測(cè)點(diǎn)溫度分層發(fā)展良好。當(dāng)循環(huán)流量為96 L/h時(shí)，熱層從106測(cè)點(diǎn)發(fā)展到103測(cè)點(diǎn)，分層厚度增加率為1.54 mm/min。而當(dāng)循環(huán)流量增加到152 L/h時(shí)，熱層從103測(cè)點(diǎn)發(fā)展到101測(cè)點(diǎn)，相應(yīng)的分層厚度增加率為1.07 mm/min。

3)在熱力學(xué)排氣節(jié)流制冷階段，受冷卻流體噴射的影響，氣液相均被不同程度的冷卻。整個(gè)節(jié)流過程，氣相最大溫降13 ℃，液相溫度變化控制在1.98 ℃內(nèi)。

4)自然冷卻的前15 min，氣相測(cè)點(diǎn)仍受制冷噴射的影響。在外部空氣冷卻下，氣相溫度逐漸從以測(cè)點(diǎn)113為最大值的拋物線分布轉(zhuǎn)變?yōu)轫敳繙囟茸畹?、界面溫度最高的線性溫度分布。液相測(cè)點(diǎn)則基本上以恒定的速率平行向溫度降低方向推進(jìn)。

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通信地址：西安市咸寧西路28號(hào)西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院制冷與低溫研究所(710049)

電話：(029)82668725

E-mail:xjliuzhan1988@stu.xjtu.edu.cn

厲彥忠(1958-)，男，博導(dǎo)，教授，主要從事低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌空間熱管理研究。本文通信作者。

通信地址：西安市咸寧西路28號(hào)西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院制冷與低溫研究所(710049)

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E-mail: yzli-epe@mail.xjtu.edu.cn

Experimental Study on Fluid Thermal Stratification During Operation of Thermodynamic Vent

LIU Zhan1, ZHANG Xiao-yu2, ZHANG Shao-hua2, LIU Xin2, LI Yan-zhong1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

The fluid temperature distribution is experimentally studied with the working fluid R123, based on the ground thermodynamic vent system experimental rig. The present experiment is conducted under the initial liquid height of 0.595 m and the heat load of 800 W during the tank pressurization, mixing injection depressurization, throttling refrigeration and free cooling phases. Experimental results show that the fluid temperature stratification is greatly developed during the pressurization phase. During the mixing depressurization process, the increase rate of the thermal layer development is 1.54 mm/min with the circulation volume flow of 96 L/h. While the circulation volume flow increases to 152 L/h, it is about 1.07 mm/min for the thermal layer development. For the present experiment, it consumes 5.48 h for the whole development of the thermal stratification. The liquid temperature is limited within 1.98 ℃, while the vapor has the maximum temperature reduction of 13 ℃, during the throttling refrigeration phase. In the free cooling part, the effect of the injection cold fluid disappears 15 min later. Under the cooling of the external air, a linear vapor temperature distribution finally has a tendency of the minimum value in the top and the maximum value in the interface. While for the liquid temperature, it reduces parallel to the direction of the temperature decrease with the constant rate.

Cryogenic propellant; Thermal stratification; Thermodynamic vent; Pressure control mode

2017-02-27;

2017-05-03

國(guó)家自然科學(xué)基金(51376142)

V511+.6

A

1000-1328(2017)07-0743-08

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.07.000

劉 展(1988-)，男，博士生，主要從事低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌貯存以及流體熱分層的研究。