低溫推進(jìn)劑管路預(yù)冷沸騰換熱特性研究綜述

王嬌嬌，厲彥忠,2，王鑫寶，王 磊，楊永忠

(1. 西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系，西安 710049；2. 航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點實驗室，北京 100028；3.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原 036304)

低溫推進(jìn)劑管路預(yù)冷沸騰換熱特性研究綜述

王嬌嬌1，厲彥忠1,2，王鑫寶1，王 磊1，楊永忠3

(1. 西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系，西安 710049；2. 航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點實驗室，北京 100028；3.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原 036304)

為探究低溫推進(jìn)劑預(yù)冷管路過程中非穩(wěn)態(tài)兩相流動與換熱特性，通過文獻(xiàn)調(diào)研與對比分析，綜述了該領(lǐng)域研究進(jìn)展。分類總結(jié)了影響預(yù)冷沸騰的主要因素，梳理了數(shù)值模擬研究結(jié)果，探討了現(xiàn)有流動沸騰關(guān)聯(lián)式對低溫推進(jìn)劑預(yù)冷沸騰過程的適用性，并整理了微重力下低溫流體預(yù)冷沸騰相關(guān)實驗研究。研究表明：1) 低溫流體預(yù)冷沸騰可用典型沸騰曲線逆向描述，換熱特性與兩相流型分布與常溫流體流動沸騰相比存在一定差異；2) 質(zhì)量流速、流動方向、工質(zhì)物性等是預(yù)冷沸騰過程流動與換熱特性的主要影響因素；3)傳統(tǒng)流動沸騰換熱關(guān)聯(lián)式不適用于低溫流體預(yù)冷沸騰換熱研究，需進(jìn)一步擬合低溫流體預(yù)冷過程關(guān)聯(lián)式。通過梳理低溫流體預(yù)冷沸騰理論研究和實驗進(jìn)展，提出了開展相關(guān)研究的思路與方向，以期為低溫推進(jìn)劑的安全高效加注提供參考和理論依據(jù)。

低溫推進(jìn)劑；管路預(yù)冷；沸騰換熱；換熱模型；綜述

0 引 言

低溫推進(jìn)劑具有高比沖、大推力、無毒無污染等優(yōu)點，被認(rèn)為是未來深空探測的首選推進(jìn)劑，在現(xiàn)代航天器中的比重不斷增加。由于其飽和溫度低、氣化潛熱小，與外部環(huán)境溫差較大，在運(yùn)輸及使用過程中極易發(fā)生劇烈氣化。因此，在低溫推進(jìn)劑傳輸、加注之前需對輸送管及局部件進(jìn)行預(yù)冷，使其溫度降至液體溫區(qū)，以防止輸送管路形成太大的壓力脈沖和冷縮應(yīng)力。預(yù)冷過程中，管壁溫度逐漸降低，低溫流體經(jīng)歷復(fù)雜的兩相流動與傳熱，變量多且相互影響。低溫管路預(yù)冷是一個涉及氣液固三相換熱、氣液熱質(zhì)傳遞、流型轉(zhuǎn)變的非穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)過程，開展相關(guān)研究面臨著極大挑戰(zhàn)。

低溫推進(jìn)劑地面加注液路系統(tǒng)由地面臥式儲罐、真空絕熱管路、增壓器、過冷器、流量計、過濾器和低溫調(diào)節(jié)閥等組成，主要完成低溫推進(jìn)劑的轉(zhuǎn)注、預(yù)冷、加注、自動補(bǔ)加、排放、射前補(bǔ)加、泄回等工作，系統(tǒng)工藝復(fù)雜，可靠性和可維護(hù)性要求很高。而新一代運(yùn)載火箭面臨高密度發(fā)射的任務(wù)形勢，在滿足發(fā)射載荷需求與經(jīng)濟(jì)性的前提下，還要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速發(fā)射，這就對加注過程的準(zhǔn)確控制、加注系統(tǒng)工藝設(shè)計與改進(jìn)、加注系統(tǒng)的維護(hù)與改造提出了新的要求。

地面與空間加注系統(tǒng)的設(shè)計以及預(yù)冷過程的有效控制都需要建立在掌握低溫流體流動沸騰與傳熱的基礎(chǔ)之上。根據(jù)壁面?zhèn)鳠嵬緩降牟煌?，沸騰換熱可分為加熱沸騰和預(yù)冷沸騰兩種方式。長久以來，研究學(xué)者針對加熱沸騰進(jìn)行了廣泛的實驗研究和理論探索，得到了大量關(guān)于單個氣泡微觀現(xiàn)象、氣泡群體宏觀運(yùn)動以及不同換熱區(qū)域換熱特性和機(jī)理的研究結(jié)論。然而對于低溫預(yù)冷沸騰，因其機(jī)理的復(fù)雜性、隨機(jī)性、多樣性以及非穩(wěn)態(tài)的發(fā)展過程，使得相關(guān)研究比較困難，不確定因素和未知現(xiàn)象較多，在兩相流研究領(lǐng)域中還屬于新的范疇。因此，開展低溫流體預(yù)冷沸騰流動特性和換熱機(jī)理研究，不僅可為航天技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用提供理論依據(jù)，而且對沸騰傳熱相關(guān)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展也有重要意義。

1 低溫流體預(yù)冷沸騰曲線

流動沸騰是一個伴隨著氣液相變和熱量傳遞的氣液兩相流動過程。沸騰傳熱特性隨系統(tǒng)發(fā)生條件的不同而不同，與流體物性、傳熱方向及途徑和流動條件等因素均有關(guān)系。沸騰曲線(圖1)是研究沸騰傳熱機(jī)理和特性的基本手段和重要途徑，包括三個特征點(沸騰起始點ONB、臨界熱流密度點CHF、膜態(tài)沸騰起始點Leidenfrost)和四個不同沸騰區(qū)域(單相強(qiáng)制對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰、膜態(tài)沸騰)。加熱沸騰和預(yù)冷沸騰都可通過沸騰曲線進(jìn)行描述：初始狀態(tài)壁面溫度與流體溫度相同，通過逐漸加熱壁面而產(chǎn)生兩相流動是一種近似穩(wěn)態(tài)的加熱沸騰現(xiàn)象，壁面過熱度逐漸增大，可用沸騰曲線中A-B-C-D-E過程進(jìn)行描述；低溫流體進(jìn)入常溫的管路，管壁溫度的逐漸降低，管內(nèi)流體經(jīng)歷復(fù)雜的兩相流動與傳熱，是一種非穩(wěn)態(tài)預(yù)冷沸騰現(xiàn)象，壁面過熱度逐漸減小，可描述為E-D-C-B-A過程。

圖1 典型沸騰曲線Fig.1 Typical boiling curve

由于液氮安全性好，方便獲得且與液氧物性相近，目前低溫流體管路預(yù)冷多以液氮為工質(zhì)開展研究。相關(guān)學(xué)者[1-6]通過實驗研究獲得了一定的預(yù)冷沸騰換熱數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)液氮預(yù)冷沸騰曲線(圖2)與常溫流體加熱沸騰曲線類似，此外，不同工況預(yù)冷過程中管壁溫降曲線(圖3)呈現(xiàn)相同趨勢，可分為三個階段：I溫度緩慢降低；II溫度迅速降低；III溫度保持穩(wěn)定。

圖2 液氮預(yù)冷管路過程沸騰數(shù)據(jù)[1-4]Fig.2 Boiling data of nitrogen pipe chilldown tests[1-4]

圖3 液氮預(yù)冷管路過程管壁溫降曲線[1-2,5,7,11]Fig.3 Wall temperature traces during nitrogen pipe chilldown tests[1-2,5,7,11]

Jackson[7]、Yuan等[8-9]、Hu等[10]和Velat等[6,11]針對液氮預(yù)冷管路進(jìn)行了可視化實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，在預(yù)冷初始階段，由于管壁與低溫液體溫差巨大，貼近管壁的液體劇烈沸騰，大量蒸氣來不及離開壁面，形成一層膜附著在管壁，此階段為膜態(tài)沸騰。在該過程中，壁面和液體的換熱被附著的氣膜阻斷，壁面溫度降低緩慢(階段I)。隨預(yù)冷過程的進(jìn)行，壁面過熱度逐漸減小，一些積聚在管壁附近的氣膜在浮升力作用下間歇脫離壁面，該過程稱之為過渡區(qū)。隨著壁面溫度進(jìn)一步降低，產(chǎn)生的氣體量逐漸減小，使得管壁重新被液體浸潤，稱為核態(tài)沸騰。該階段由于管壁大面積與液體接觸，換熱充分，熱流密度較大，管壁溫度迅速降低(階段II)。從膜態(tài)沸騰到核態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)變也稱為壁面的再潤濕過程，再潤濕溫度是預(yù)冷過程的一個重要表征量，由圖3可知，一般情況下液氮的再濕潤溫度在130 K～140 K附近。Darr等[2,5,12]、Shaeffer等[1]和Johnson等[3]等通過實驗均驗證了上述結(jié)論。

因此，液氮預(yù)冷沸騰過程，都會經(jīng)歷溫度下降緩慢且經(jīng)歷時間較長的膜態(tài)沸騰階段、溫度快速下降的核態(tài)沸騰階段直至完全預(yù)冷的單相流動階段，液氮預(yù)冷沸騰實驗取得的結(jié)果為低溫流體預(yù)冷沸騰相關(guān)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

2 低溫流體預(yù)冷沸騰流型特征

沸騰是通過氣液相變將工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈氣化過程，也是伴隨大量氣體的形成、長大和運(yùn)動的熱量傳遞過程。通常情況下，隨著預(yù)冷過程的進(jìn)行，管內(nèi)的流型特征呈現(xiàn)較大差異，且流動方向、流體物性等因素均會對流型產(chǎn)生影響。Hu等[10]等針對液氮預(yù)冷豎直管路開展可視化實驗研究，圖4為根據(jù)實驗結(jié)果繪制的流型變化示意圖。可以看出，在高質(zhì)量流量工況下，管路內(nèi)依次經(jīng)歷單相氣體、彌散流、反環(huán)狀流、泡狀流，最終變?yōu)閱蜗嘁后w；在較小的質(zhì)量流量工況下，在激冷面出現(xiàn)之前僅能觀察到彌散流，隨后管路依次呈現(xiàn)環(huán)狀流、泡狀流和單相液體。

Velat等[6,11]、Jackson[7]、Yuan等[8-9]均針對液氮預(yù)冷水平管的流型特征開展了實驗研究，圖5為根據(jù)實驗結(jié)果所繪制的流型變化示意圖。開始階段，管路整體處于室溫，當(dāng)?shù)蜏匾后w進(jìn)入水平管后，巨大的換熱溫差使得液體在入口段全部氣化，管內(nèi)出現(xiàn)高速氣流；隨著預(yù)冷過程的進(jìn)行，壁面溫度逐漸降低，液體氣化量也相應(yīng)減少，氣液兩相流中液體份額的逐漸增加，管內(nèi)將依次可見液滴、液體線狀流、分層/波紋流、彈狀流、塞狀流，直至最終為全液體流。另外，Velat等[6,11]通過多工況實驗，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量對水平管路預(yù)冷過程流型分布有顯著影響：當(dāng)流量小于一定程度時，整個預(yù)冷過程只能觀察到分層流；隨著流量的增加，氣液速度差過大時，可以觀察到彈狀流和塞狀流；當(dāng)質(zhì)量流量增大到一定程度，即流體慣性力大于重力的影響時，水平管的流型特征接近于豎直管流型變化規(guī)律。

圖4 液氮預(yù)冷豎直管路流型分布示意圖[10]Fig.4 Illustration of flow patterns for vertical upward flow[10]

圖5 液氮預(yù)冷水平管路流型變化示意圖[6-9,11]Fig.5 Illustration of flow patterns in a horizontal tube[6-9,11]

由于液氮的氣液密度比、氣化潛熱和表面張力較小等特殊性質(zhì)，液氮與常溫流體兩相流型特性存在一定差異。Laver 等[13]實驗研究了液氮流動沸騰過程中反環(huán)狀流現(xiàn)象，與文獻(xiàn)[14]中R113工質(zhì)相比，液柱破碎為分散液滴發(fā)生得更加迅速。另外，Hu等[10]采用液氮預(yù)冷豎直管路，在多數(shù)實驗工況下觀察到反環(huán)狀流，僅在非常小的質(zhì)量流量才出現(xiàn)環(huán)狀流，與文獻(xiàn)[15]中過冷水預(yù)冷管路的實驗現(xiàn)象略有不同。

此外，Hartwig等[16]比較了液氮[10](圖6)和液氫[17](圖7)預(yù)冷豎直管路可視化圖像，發(fā)現(xiàn)兩者的換熱特性和流型轉(zhuǎn)變過程存在巨大區(qū)別。液氮預(yù)冷管路過程中溫降曲線平滑，膜態(tài)沸騰過程非常顯著，約占預(yù)冷時間90%以上。而液氫預(yù)冷管路過程中管壁溫度波動較大，且環(huán)狀流轉(zhuǎn)變過程非常迅速。由此可見，工質(zhì)物性對預(yù)冷過程中兩相流型分布有著重要影響。氫的氣液密度差、粘性較小，導(dǎo)致氣液相間難以形成穩(wěn)定的界面分布，且流型分布易受外力影響，導(dǎo)致膜態(tài)沸騰經(jīng)歷時間更短，預(yù)冷效果優(yōu)于相同條件下的液氮預(yù)冷效果。

因此，低溫流體管路預(yù)冷流型特征受質(zhì)量流量、管流方向、流體物性等因素影響，流型變化十分復(fù)雜。此外，在預(yù)冷初始階段，進(jìn)入管路的流體會劇烈氣化并引起較大的壓力波動，而且由于氣相的可壓縮性以及氣液界面的變化，極易產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊，誘發(fā)管路振動等。由于技術(shù)與成本方面制約，相關(guān)研究結(jié)果較少，有待于更深入研究。

圖6 液氮預(yù)冷實驗壁面溫度和流型變化圖[10]Fig.6 Wall temperature trace and flow visualizations for liquid nitrogen line chilldown test[10]

圖7 液氫預(yù)冷實驗壁面溫度和流型變化圖[17]Fig.7 Wall temperature trace and flow visualizations for liquid hydrogen nitrogen line chilldown test[17]

3 低溫預(yù)冷沸騰換熱實驗研究

低溫預(yù)冷沸騰實驗研究始于二十世紀(jì)六十年代，Rame等[18]、Burke等[19]、Bronson等[20]、Chi等[21]和Laverty等[22]進(jìn)行了早期的實驗研究，為預(yù)冷沸騰傳熱研究奠定了基礎(chǔ)。目前，低溫流體預(yù)冷沸騰的研究仍以實驗為主，根據(jù)對現(xiàn)象本質(zhì)的理解，提出過程發(fā)展的物理模型和數(shù)學(xué)模型，并由實驗確定經(jīng)驗常數(shù)，建立半經(jīng)驗半理論的計算公式，是目前進(jìn)行預(yù)冷沸騰換熱研究的主要途徑。近年來，研究人員針對低溫流體預(yù)冷沸騰開展了大量實驗研究[1-12,16-17,23-27]，為減少研究工作的復(fù)雜性，研究者通常把各種影響因素孤立起來進(jìn)行分析和實驗，進(jìn)而分析各因素對過程發(fā)展的影響和作用機(jī)制。預(yù)冷過程影響因素主要包括質(zhì)量流速、流動方向、工質(zhì)性質(zhì)、流動方式、管路結(jié)構(gòu)等，以下分別進(jìn)行介紹。

3.1 質(zhì)量流速

質(zhì)量流速是影響流動換熱的重要因素，Hu等[10]、Velat等[6,11]、Johnson等[3]和Darr等[2]研究了質(zhì)量流速對預(yù)冷過程的影響，結(jié)果表明在相同的實驗條件下，質(zhì)量流速越大，預(yù)冷完成時間越短。圖8為不同實驗工況下預(yù)冷時間隨質(zhì)量流速的變化曲線，在低質(zhì)量流速時，預(yù)冷時間隨質(zhì)量流速的增大而急劇減小，而當(dāng)質(zhì)量流速增大到一定程度后，預(yù)冷時間趨于穩(wěn)定。在實際預(yù)冷過程中，找到最優(yōu)預(yù)冷流速，可提高預(yù)冷效率，同時確保加注過程順利、安全進(jìn)行，減少推進(jìn)劑浪費(fèi)，這對低溫推進(jìn)劑加注工藝改進(jìn)具有重要指導(dǎo)意義。

圖8 預(yù)冷時間隨質(zhì)量流速變化曲線[2-3,10-11]Fig.8 Relationship between chilldown time and mass flux[2-3,10-11]

此外，質(zhì)量流速還對臨界熱流密度和三個特征溫度有著重要影響。整理文獻(xiàn)[2-3,5,10,12,24]中臨界熱流密度隨質(zhì)量流速的變化關(guān)系，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)臨界熱流密度隨質(zhì)量流速的增大而增大，在低質(zhì)量流速工況下尤為明顯。Shaeffer等[1]的實驗結(jié)果表明特征溫度隨雷諾數(shù)的增大而增大，如圖10所示，在實驗工況范圍內(nèi)，沸騰起始溫度(ONB)范圍為100 K～110 K，臨界熱流溫度(CHF)范圍為110 K～130 K，再濕潤溫度(Leidenfrost)范圍為130 K～150 K。因此，質(zhì)量流速對預(yù)冷過程中流動與換熱特性具有重要影響。

在此基礎(chǔ)上，Darr等[2]等通過大量實驗對比，指出不同質(zhì)量流速工況下沸騰換熱機(jī)理有所不同：在低質(zhì)量流速情況下，需要考慮浮力的因素，管路內(nèi)流動換熱情況受流動方向的影響較明顯；隨質(zhì)量流速的增大，強(qiáng)制對流換熱作用逐漸顯著；當(dāng)質(zhì)量流速增加到一定程度后，液滴與壁面換熱作用不可忽略。

圖9 臨界熱流隨質(zhì)量流速的變化曲線[2-3,5,10,12,24]Fig.9 Relationship between CHF and massflux[2-3,5,10,12,24]

圖10 特征溫度隨雷諾數(shù)的變化曲線[1]Fig.10 Relationship between typical temperture and mass flux[1]

3.2 流動方向

Darr等[12]等研究了流動方向?qū)︻A(yù)冷沸騰換熱的影響，指出不同流動方向具有不同的流動與換熱特性，在低質(zhì)量流量時差別尤為明顯。結(jié)果表明相同工況下，豎直向上管路預(yù)冷速度快于豎直向下。Darr等[12]等認(rèn)為主要是因為在膜態(tài)沸騰階段，低溫流體自下向上流動時，由于氣相浮力的作用增強(qiáng)了換熱效率，而低溫流體從上往下流動時，浮力阻礙了流體的流動并且減緩了氣體的流速，從而降低預(yù)冷效果。Hu等[10]分別進(jìn)行豎直向上流動和豎直向下流動的預(yù)冷實驗，結(jié)果與上述結(jié)論相符。

此外，Darr等[12]的實驗結(jié)果表明,相同工況下豎直管路換熱效率優(yōu)于水平管路和傾斜管路，主要因為由浮力引起的分層現(xiàn)象降低了換熱效率。然而隨質(zhì)量流量的增大，流動方向的影響逐漸降低，當(dāng)質(zhì)量流量增大到一定程度時，強(qiáng)制對流換熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自然對流，管路內(nèi)流動與換熱不受流動方向的影響。

3.3 工質(zhì)物性

Rame等[18]等實驗研究了液氫預(yù)冷管路過程，Hartwig等[16]將其結(jié)果與液氮預(yù)冷管路實驗進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)液氫的預(yù)冷過程具有極大特殊性。整理Hartwig等[17]、Rame等[18]和Chi等[21]的液氫預(yù)冷實驗數(shù)據(jù)，如圖11所示，液氫預(yù)冷沸騰曲線中僅能觀察到核態(tài)沸騰和過渡沸騰兩個階段。由于液氫的黏性遠(yuǎn)低于普通流體，造成液氫預(yù)冷沸騰過程中表現(xiàn)為高Re數(shù)的特性，而臨界熱流密度與液氮預(yù)冷沸騰過程中的臨界熱流的數(shù)量級相同，臨界熱流同樣隨雷諾數(shù)的增大而增大。由此可見，液氫預(yù)冷沸騰的流型變化規(guī)律和換熱特性與液氮既有相似性，又有其特殊性，難以簡單得由液氮相關(guān)實驗進(jìn)行推斷。因此，針對液氫預(yù)冷沸騰過程中的流型變化和換熱機(jī)理的特殊性開展深入研究，對沸騰換熱學(xué)科相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

圖11 液氫預(yù)冷過程沸騰數(shù)據(jù)[17-18,21]Fig.11 Cryogenic boiling data of LH2 chilldown tests[17-18,21]

3.4 流動方式

在推進(jìn)劑預(yù)冷管路過程中，有兩種優(yōu)化目標(biāo)，一種是預(yù)冷時間最短，另一種是推進(jìn)劑消耗量最少，一般情況下，發(fā)動機(jī)管路的預(yù)冷以時間最短為最優(yōu)選擇，而地面加注系統(tǒng)的預(yù)冷過程以推進(jìn)劑消耗量最少為最優(yōu)目標(biāo)[25]。針對不同的優(yōu)化目標(biāo)，研究者主要研究了連續(xù)流動和間歇流動兩種方式。與連續(xù)流動方式相比，間歇流動可以更大程度的利用低溫流體的潛熱和顯熱進(jìn)行管路預(yù)冷。為研究兩種預(yù)冷方式效果，Shaeffer等[1]采用液氮工質(zhì)對連續(xù)流和間歇流兩種方式開展實驗研究，結(jié)果表明，在高雷諾數(shù)工況(高于4000)時，采用間歇流動方式可減少推進(jìn)劑的消耗量，而在低雷諾數(shù)工況下，間歇流動方式并不能顯示其優(yōu)勢。

因為液氫流動具有高雷諾數(shù)的特征，Hartwig等[25]以液氫為實驗工質(zhì)進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)間歇流動方式可以節(jié)約接近50%的推進(jìn)劑消耗量。間歇流動的可靠性、安全性取決于閥門的有效周期數(shù)，一般而言，更快的閥門開閉周期更有利于節(jié)約時間和推進(jìn)劑的消耗量。因此，針對液氫預(yù)冷管路過程，間歇流動的預(yù)冷方式可以極大降低推進(jìn)劑的消耗量，為預(yù)冷加注提供了一個降低成本有效思路。

3.5 管路結(jié)構(gòu)

Hu等[26]研究了低溫流體預(yù)冷納米多孔表面的換熱情況，發(fā)現(xiàn)納米多孔材料在三種換熱方式階段都能提高低溫流體的換熱情況。另外，Hu等[27]實驗?zāi)M了液氮預(yù)冷波紋金屬軟管過程，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁表面結(jié)構(gòu)對預(yù)冷過程有重要的影響。在膜態(tài)沸騰階段，波紋表面的環(huán)狀氣膜比光滑表面更厚且膜態(tài)沸騰持續(xù)時間更長；在過渡沸騰和核態(tài)沸騰中，波紋表面的臨界熱流更大，換熱系數(shù)更高；在整個預(yù)冷過程，波紋表面比光滑表面需要更長的預(yù)冷時間。

4 低溫預(yù)冷沸騰數(shù)值模擬研究

預(yù)冷沸騰方面相關(guān)理論研究較少，主要沿用傳統(tǒng)兩相流動與換熱理論[28-29]。預(yù)冷沸騰的研究模型主要為均相模型[30-38]和兩流體模型[39-42]，一般情況豎直管路采用均相模型，而水平管路需采用兩流體模型。此外還有學(xué)者提出介于均相模型與兩流體模型之間的氣液同速推進(jìn)分層模型[43]。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法因簡單易操作在流動與換熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，目前可以模擬預(yù)冷沸騰的軟件有SINDA/FLUINT和GFSSP(Generalized fluid system simulation program)。

4.1 SINDA/FLUINT

SINDA/FLUINT是一個熱設(shè)計分析和流體流動分析的綜合性有限差分、集總參數(shù)軟件，因可靠高效的兩相流模擬能力，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與其他軟件不同，SINDA/FLUINT計算兩相換熱系數(shù)根據(jù)不同的換熱方式分別采用不同的計算公式，如圖12所示。其具有主動的相變識別、流域的自動匹配、可選的滑移流模型，并可以內(nèi)建或用戶自定義的兩相傳熱關(guān)聯(lián)式和壓降關(guān)聯(lián)式。與美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)的液氫預(yù)冷真空絕熱銅管實驗數(shù)據(jù)相比，SINDA/FLUINT計算得到的管路進(jìn)口端注入速度稍稍快于實驗結(jié)果，對預(yù)冷時間的預(yù)測比較準(zhǔn)確。

圖12 SINDA/FLUINT兩相換熱算法Fig.12 Two phase boiling logic of SINDA/FLUINT

4.2 GFSSP

GFSSP是模擬航天領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)流動換熱的軟件，其采用一維網(wǎng)絡(luò)流分析，基于有限體積方法，可計算氣液相變、流固耦合、膨脹壓縮、物料混合等復(fù)雜問題。其采用逐次迭代和同步求解相結(jié)合的方法，如圖13所示，具有很好的收斂性。目前，GFSSP可模擬水擊現(xiàn)象、貯箱增壓排液、加注系統(tǒng)預(yù)冷、TVS排氣增壓以及貯箱無排氣加注等過程。

圖13 GFSSP求解方案Fig.13 Program structure of GFSSP

LeClair等[28]采用GFSSP軟件模擬肯尼迪39B綜合發(fā)射臺加注過程，數(shù)值預(yù)測了預(yù)冷加注、緩慢加注、快速加注的加注時間和壁面漏熱量，均與實際過程比較符合。Hartwig等[29]模擬了液氫在箱體間轉(zhuǎn)運(yùn)過程的瞬態(tài)預(yù)冷，模擬管路壁溫與實驗數(shù)據(jù)僅在數(shù)量級相符，存在較大的誤差。Hartwig等[29]認(rèn)為誤差主要源于兩相換熱部分，利用低溫預(yù)冷沸騰實驗數(shù)據(jù)修正兩相換熱公式，將會進(jìn)一步提高計算精度。

4.3 換熱關(guān)聯(lián)式

早期經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式[44-61]仍廣泛應(yīng)用于水和制冷劑等流動沸騰換熱研究，如Chen關(guān)聯(lián)式廣泛應(yīng)

用于核態(tài)沸騰換熱預(yù)測，Bromley關(guān)聯(lián)式廣泛應(yīng)用于膜態(tài)沸騰換熱計算。長久以來，許多學(xué)者致力于將適用于常溫流體的換熱準(zhǔn)則公式經(jīng)過修正后推廣到低溫流體，但因誤差較大而發(fā)展緩慢。

開展多工況實驗研究，不僅對預(yù)冷沸騰換熱機(jī)理研究具有重要的意義，而且對換熱關(guān)聯(lián)式的推導(dǎo)和修正提供了實驗支持。Klimenko[49]將液氮實驗數(shù)據(jù)與Chen模型和Shah模型比較，發(fā)現(xiàn)兩個關(guān)聯(lián)式都低估實驗值2～3倍，經(jīng)分析提出了考慮加熱表面影響的關(guān)聯(lián)式，與309個液氮流動沸騰數(shù)據(jù)點的誤差在35%之內(nèi)。

Hartwig等[50]將多個低溫預(yù)冷實驗數(shù)據(jù)[1,5-6,9,51-52]與傳統(tǒng)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)所有模型與實驗數(shù)據(jù)的誤差都非常大，不能預(yù)測低溫流體預(yù)冷管路過程的換熱特性。因此，Darr等[12]開展了大量低溫流體預(yù)冷沸騰實驗，分別探究各個影響因素的作用機(jī)制，擬合出一套考慮三種不同換熱模式和多種流動方向的換熱關(guān)聯(lián)式，覆蓋了質(zhì)量流量6～1650 kg/(m2s)的流動工況，是目前唯一針對低溫流體預(yù)冷沸騰過程的換熱的關(guān)聯(lián)式。

5 微重力環(huán)境預(yù)冷沸騰研究

在航天技術(shù)領(lǐng)域中，微重力作用下的兩相流動成為近年來學(xué)者關(guān)注的焦點。在微重力下，熱毛細(xì)對流、浸潤性、接觸角、相變等在地面被浮力和分層現(xiàn)象所掩蓋的因素成為重要的影響因素，使微重力下流動與沸騰過程變得不可預(yù)測。目前常用的微重力實驗設(shè)施有落塔、落井、失重飛機(jī)和空間站等。由于低溫流體沸騰換熱實驗系統(tǒng)復(fù)雜，獲取數(shù)據(jù)困難，因而微重力環(huán)境的低溫流體沸騰換熱實驗較少。早期實驗工質(zhì)大多采用水、R-113、FC-72等制冷劑，近期有較少液氮微重力實驗，表1為有關(guān)預(yù)冷沸騰的微重力實驗文獻(xiàn)總結(jié)。

表1 微重力預(yù)冷沸騰實驗總結(jié)

大多數(shù)學(xué)者通過實驗研究發(fā)現(xiàn)微重力作用下，低溫流體預(yù)冷沸騰的換熱情況受到抑制。在微重力環(huán)境下，浮力作用消失，出現(xiàn)連續(xù)液柱被厚厚的氣膜包裹的現(xiàn)象，減弱了氣液界面不規(guī)則快速波動的換熱，此外液柱不易破碎為液滴，減弱了液滴與壁面換熱效應(yīng)。但也有學(xué)者得到微重力下預(yù)冷沸騰換熱增強(qiáng)的實驗結(jié)論，由于微重力環(huán)境下相關(guān)實驗相對較少，相關(guān)換熱理論和機(jī)理需要進(jìn)一步開展研究。開展微重力下預(yù)冷沸騰傳熱研究，不僅為航天技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用提供理論依據(jù)，而且對微重力相關(guān)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展也有重要意義。

6 結(jié)束語

近年來，我國針對低溫推進(jìn)劑流動與換熱特性開展了大量研究[69-72]，均取得一定成功，而低溫推進(jìn)劑預(yù)冷沸騰的相關(guān)結(jié)論較少。本文對低溫流體預(yù)冷沸騰相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，得到如下結(jié)論：

1)質(zhì)量流速越大，預(yù)冷完成時間越短，而當(dāng)質(zhì)量流速增大到一定程度后，預(yù)冷時間趨于穩(wěn)定。確定最優(yōu)預(yù)冷流速，對低溫推進(jìn)劑的安全高效加注具有重要意義。

2)流動方向?qū)︻A(yù)冷沸騰中換熱存在影響，相同工況下豎直管路換熱效率優(yōu)于水平管路和傾斜管路，豎直向上管路換熱效率優(yōu)于豎直向下。

3)與液氮相比，液氫預(yù)冷沸騰過程的流型特性與換熱機(jī)理表現(xiàn)出不同規(guī)律，亟需進(jìn)行深入實驗研究以明確液氫沸騰換熱基本規(guī)律。

4)傳統(tǒng)流動沸騰換熱關(guān)聯(lián)式不適用于低溫流體預(yù)冷沸騰換熱過程，需開展低溫工質(zhì)實驗以豐富數(shù)據(jù)，擬合出適用于低溫流體的換熱關(guān)聯(lián)式。

5)微重力下的相關(guān)研究較少，已有研究表明，微重力下?lián)Q熱會受到抑制，仍需進(jìn)一步開展深入研究。

[1] Shaeffer R, Hu H, Chung J N. An experimental study on liquid nitrogen pipe chilldown and heat transfer with pulse flows[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2013, 67(6): 955-966.

[2] Darr S R, Hu H, Glikin N G, et al. An experimental study on terrestrial cryogenic transfer line chilldown I. Effect of mass flux, equilibrium quality, and inlet subcooling[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2016, 103:1 225-1242.

[3] Johnson J, Shine S R. Transient cryogenic chill down process in horizontal and inclinedpipes[J]. Cryogenics, 2015, 71: 7-17.

[4] Jin L, Park C, Cho H, et al. Experimental investigation on chill-down process of cryogenic flow line[J]. Cryogenics, 2016, 79: 96-105.

[5] Darr S R, Hu H, Shaeffer R, et al. Numerical simulation of the liquid nitrogen chilldown of a vertical tube[C]. The 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, Florida,January 5-9,2015.

[6] Velat C J. Experiments in cryogenic two phase flow[D]. Florida:University of Florida, 2004.

[7] Jackson J K. Cryogenic two-phase flow during chilldown: flow transition and nucleate boiling heat transfer[D]. Florida:University of Florida, 2006.

[8] Yuan K, Ji Y, Chung J N. Numerical modeling of cryogenicchilldown process in terrestrial gravity and microgravity[J]. International Journal of Heat & Fluid Flow, 2009, 30(1): 44-53.

[9] Yuan K, Ji Y, Chung J N, et al. Cryogenic boiling and two-phase flow during pipe chilldown in earth and reduced gravity[J]. Journal of Low Temperature Physics, 2007, 150(1-2): 101-122.

[10] Hu H, Chung J N, Amber S H. An experimental study on flow patterns and heat transfer characteristics during cryogenic chilldown in a vertical pipe[J]. Cryogenics, 2012, 52(4-6): 268-277.

[11] Velat C, Jackson J, Klausner J F, et al. Cryogenic Two-Phase Flow During Chilldown[C].ASME 2004 Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference. Charlotte,North Cardina,USA,July 11-15,2004.

[12] Darr S R, Hu H, Glikin N, et al. An experimental study on terrestrial cryogenic tube chilldown II. Effect of flow direction with respect to gravity and new correlation set[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2016, 103: 1243-1260.

[13] Laverty W F,Rohsenow W M. Film boiling of saturated nitrogen flowing in a vertical tube[J]. Journal of Heat Transfer, 1967, 89(1): 90-98.

[14] Dougall R S, Rohsenow W M. Film boiling on the inside of vertical tubes with upward flow of the fluid at low qualities[R]. Cambridge, Mass.: Dept. of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 1963.

[15] Kawaji M, Ng Y S, Banerjee S, et al. Reflooding with steady and oscillatory injection: Part I—flow regimes, void fraction, and heat transfer[J]. Journal of heat transfer, 1985, 107(3): 670-678.

[16] Hartwig J, Hu H, Styborski J, et al. Comparison of cryogenic flow boiling in liquid nitrogen and liquid hydrogen chilldown experiments[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2015, 88: 662-673.

[17] Hartwig J, Styborski J. Flow Visualization and stream temperature measurement of liquid hydrogen line chill down experiments[J]. Journal of Heat Transfer, 2015, 137(2): 662-673.

[18] Rame E, Hartwig J W, McQuillen J B. Flow visualization of liquid hydrogen line chill down tests[C].The 52nd Aerospace Sciences Meeting,National Harber,Maryland,January 13-17, 2014.

[19] Burke J C, Byrnes W R, Post A H, et al. Pressurized cooldown of cryogenic transferlines[J].Advances in Cryogenic Engineering,1960,4: 378-394.

[20] Bronson J C,Edeskuty F J, Fretwell J H, et al. Problems in cool-down of cryogenic systems[J].Advances in Cryogenic Engineering, 1962: 192-205.

[21] Chi J W H,Vetere A M. Two-phase flow during transient boiling of hydrogen and determination of nonequilibrium vapor fractions[J].Advances in Cryogenic Engineering, 1964: 243-253.

[22] Laverty W F,Rohsenow W M. Film boiling of saturated nitrogen flowing in a vertical tube[J]. Journal of Heat transfer, 1967, 89(1): 90-98.

[23] Chung J. Cryogenic Two-Phase Flow and boiling heat transfer during pipechilldown[C].The 37th AIAA Thermophysics Conference,Portland,Oregon,June 28-July 1, 2004.

[24] Kawanami O, Azuma H, Ohta H. Effect of gravity on cryogenic boiling heat transfer during tube quenching[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2007, 50(17-18): 3490-3497.

[25] Hartwig J W, Rame E, McQuillen J. Pulse chilldown tests of a tank-to-tank liquid hydrogen propellant transfer line[C].The 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting,San Diego,California,USA, January 4-8, 2016.

[26] Hu H,Wijeratne T K, Chung J N. Two-phase flow and heat transfer during chilldown of a simulated flexible metal hose using liquid nitrogen[J]. Journal of Low Temperature Physics, 2014, 174(5-6): 247-268.

[27] Hu H, Cheng X, Yang Z, et al. Modification and enhancement of cryogenic quenching heat transfer by ananoporous surface[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2015, 80(5):636-643.

[28] LeClair A,Majumdar A. Computational model of the chilldown and propellant loading of the space shuttle external tank[C].The 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Nashville, TN, July 25-28, 2010.

[29] Hartwig J, Vera J. Numerical modeling of the transient chilldown of a cryogenic propellant transfer line[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2015,31(3): 1-7.

[30] 程謀森, 劉昆, 張育林. 推進(jìn)劑供應(yīng)管路內(nèi)液體瞬變流一維有限元計算[J]. 推進(jìn)技術(shù), 2000, 21(4):12-15. [Cheng Mou-sen,Liu Kun,Zhang Yu-Lin.One-dimensional finite element solutions for liquid transients in propellant feedlines[J]. Journal of Propulsion Technology,2000, 21(4): 12-15.]

[31] 林挺宇, 陳國遠(yuǎn). 氫泵預(yù)冷的數(shù)值模擬[J]. 宇航學(xué)報, 1992, 13(2): 79-86.[Lin Ting-yu, Chen Guo-yuan. Numerical simulation of hydrogen pump chilldown[J].Journal of Astronautics, 1992, 13(2): 79-86.]

[32] 劉昆, 張育林. 液體推進(jìn)系統(tǒng)充填過程的有限元狀態(tài)變量模型[J]. 推進(jìn)技術(shù), 2001, 22(1): 19-21.[Liu Kun,Zhang Yu-Lin.Finite element state-variable models for the priming process of feed lines[J]. Journal of Propulsion Technology, 2001, 22(1): 19-21.]

[33] 劉昆, 程謀森, 張育林. 低溫推進(jìn)劑供應(yīng)管道系統(tǒng)充填過程的動力學(xué)模型[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報, 2003, 25(3): 1-5.[ Liu Kun, Cheng Mou-sen,Zhang Yu-Lin,et al. Dynamic model of priming processes of cryogenic propellant feed lines[J].Journal of National University of Defense Technology, 2003, 25(3): 1-5.]

[34] 任德鵬, 丁鵬飛, 夏新林,等. 低溫液體充填管路的數(shù)值計算[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2004, 25(1): 118-120.[Ren Peng-de,Ding Peng-fei,Xia Xin-lin. Numerical simulation of filling process of cryogenic liquid in a pipeline[J].Journal of Engineering Thermophysics, 2004, 25(1): 118-120.]

[35] 孫恒, 徐烈, 李兆慈, 等. 低溫液體輸送過程中的參數(shù)計算與分析[J]. 低溫與超導(dǎo), 2000,28(4): 39-45.[Sun Heng,Xu Lie, Li Zhao-Ci,et al.Numerical simulation of filling process of cryogenic liquid in a pipeline[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2000,28(4): 39-45.]

[36] 高芳, 陳陽, 張振鵬, 低溫液體推進(jìn)劑充填管路的數(shù)值模擬[J]. 航空動力學(xué)報, 2007,22(1): 108-113.[Gao Fang,Chen Yang,Zhang Zhen-peng. Numerical simulation of filling pipe of cryogenic liquid propellant[J].Journal of Aerospace Power, 2007,22(1): 108-113.]

[37] 陳二鋒, 厲彥忠, 程向華, 等. 液體火箭發(fā)動機(jī)自然循環(huán)回路預(yù)冷非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2008, 42(9): 1127-1131.[Chen Er-feng,Li Yan-Zhong,Cheng Xiang-Hua,et al. Unsteady mathematic modeling of natural circulation loop precooling of liquid rocket engine[J].Journal of Xi′an Jiaotong University, 2008, 42(9): 1127-1131.]

[38] 陳宏玉, 劉紅軍, 劉上. 推進(jìn)劑管路充填過程的數(shù)值模擬[J]. 航空動力學(xué)報, 2013, 28(3): 561-566.[Chen Hong-yu, Liu Hong-jun, Liu Shang. Numerical simulation of priming process of propellant pipelines[J]. Journal of Aerospace Power, 2013, 28(3): 561-566.]

[39] Liao J. Modeling two-phase transport during cryogenicchilldown in a pipeline[D]. Florida: University of Florida, 2005.

[40] Liao J, Mei R,Klausner J F. A film boiling model for cryogenic chilldown at low mass flux inside a horizontal pipeline[J]. Heat and Mass Transfer, 2006, 42(10): 891-900.

[41] Liao J, Yuan K, Mei R, et al. Cryogenic chilldown model for stratified flow inside a pipe[C].ASME 2005 Summer Heat Transfer Conference, San Francisco, California, USA, July 17-22, 2005.

[42] Yuan K, Ji Y, Chung J N. Cryogenic chilldown process under low flow rates[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, 50(19): 4011-4022.

[43] 余紅梅, 李兆慈, 孫恒, 水平管道預(yù)冷過程研究[J]. 低溫與特氣, 2009,42(9): 16-21.[Yu Hong-mei,Li Zhao-ci, Sun Heng. Research on pre-cooling of LNG transfer pipeline[J].Low Temperature and Specialty Gases, 2009,42(9): 16-21.]

[44] Zuber N. Hydrodynamic aspects of boiling heat transfer[D]. Los Angeles:California. Univ., 1959.

[45] Lienhard J H, Dhir V K. Hydrodynamic prediction of peak pool-boiling heat fluxes from finite bodies.[J]. Journal of Heat Transfer, 1972, 95(2): 152-158.

[46] Katto Y, Kurata C. Critical heat flux of saturated convective boiling on uniformly heated plates in a parallel flow[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1980, 6(6): 575-582.

[47] Mudawar I, Maddox D E. Enhancement of critical heat flux from high power microelectronic heat sources in a flow channel[J]. Journal of Electronic Packaging, 1990, 112(3): 241-248.

[48] Hall DD, Mudawar I. Critical heat flux (CHF) for water flow in tubes—II. : Subcooled CHF correlations[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2000, 43(14): 2605-2640.

[49] Klimenko V V. Heat transfer intensity at forced flow boiling of cryogenic liquids in tubes[J]. Cryogenics, 1982, 22(11): 569-576.

[50] Hartwig J, Darr S, Asencio A. Assessment of existing two phase heat transfer coefficient and critical heat flux correlations for cryogenic flow boiling in pipe quenching experiments[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2016, 93: 441-463.

[51] Campi F A, Chi J W H, Dezubay E A, et al. Transient two-phase heat transfer and flow characteristics of liquid hydrogen[J]. Transfusion Medicine Reviews, 1998, 12(2): 141-154.

[52] Ohira K, Okuyama J, Nakagomi K, et al. Pressure drop of slush nitrogen flow in converging-diverging pipes and corrugated pipes[J]. Cryogenics, 2012, 52(12): 771-783.

[53] Chen Y. Heat transfer in film boiling of flowingwater[M]. InTech Open Access Publisher, 2011.

[54] Shah MM. Prediction of heat transfer during boiling of cryogenic fluids flowing in tubes[J]. Cryogenics, 1984, 24(5): 231-236.

[55] Shah MM. Chart correlation for saturated boiling heat transfer: Equations and further study[J]. Ashrae Transactions, 1982, 88(1): 185-196.

[56] Gungor K E, Winterton R H S. A general correlation for flow boiling in tubes and annuli[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1986, 29(3): 351-358.

[57] Liu Z,Winterton R H S. A general correlation for saturated and subcooled flow boiling in tubes and annuli, based on a nucleate pool boiling equation[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1991, 34(11): 2759-2766.

[58] Bromley L R A, Leroy N R, Robbers J A. Heat transfer in forced convection filmboiling[J]. Industrial & Engineering Chemistry, 1953, 45(12): 2639-2646.

[59] Miropolskiy Z L. Heat transfer in film boiling of a steam-water mixture in steam generating tubes[J]. Teploenergetika, 1963, 10(5): 49-52.

[60] Groeneveld D C, Snoek C W. A comprehensive examination of heat transfer correlations suitable for reactor safety analysis[J]. Multiphase Science and Technology, 1986, 2(1-4): 181-274.

[61] Kandlikar S G. A general correlation for saturated two-phase flow boiling heat transfer inside horizontal and vertical tubes[J]. Journal of Heat Transfer, 1990, 112(1): 219-228.

[62] Adham-Khodaparast K, Xu J J, Kawaji M. Flow film boiling collapse and surface rewetting in normal and reduced gravity conditions[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1995, 38(15): 2749-2760.

[63] Westbye C J, Kawaji M, Antar B N. Boiling heat transfer in the quenching of a hot tube under microgravity[J]. Journal of Thermophysics & Heat Transfer, 2015, 9(2): 302-307.

[64] Antar B N, Collins F G. Flow boiling during quench in low gravity environment[J]. Microgravity-Science and Technology, 1997, 10(3): 118-128.

[65] Antar B, Collins F. Vertical line quench in low gravity[C].The 33rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, USA, January 9-12, 1995.

[66] Celata G P, Cumo M, D’Annibale F, et al. Rewetting velocity in quenching at reduced gravity[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2010, 49(9): 1567-1575.

[67] Verthier B, Celata G P, Zummo G, et al. Effect of gravity on film boiling heat transfer and rewetting temperature during quenching[J]. Microgravity Science and Technology, 2009, 21(1): 185-191.

[68] Darr S, Dong J, Glikin N, et al. The effect of reduced gravity on cryogenic nitrogen boiling and pipe chilldown[EB/OL].2016[2017].https://www.nature.com/articles/npjmgrav201633.pdf.

[69] 劉展, 厲彥忠, 王磊. 低溫推進(jìn)劑熱分層研究[J]. 宇航學(xué)報, 2015, 36(6): 613-623. [Liu Zhan,Li Yan-zhong,Wang Lei. Research on cryogenic propellant thermal stratification[J].Journal of Astronautics, 2015, 36(6): 613-623.]

[70] 劉展, 厲彥忠, 王磊,等. 低溫推進(jìn)劑長期在軌壓力管理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 宇航學(xué)報, 2014, 35(3): 254-261.[Liu Zan,Li Yan-zhong,Wang Lei,et al. Study on the performance impact of single phase fluid loop under low temperature[J].Journal of Astronautics，2014, 35(3): 254-261.]

[71] 馬原, 厲彥忠, 王磊,等. 低溫推進(jìn)劑在軌加注技術(shù)與方案研究綜述[J]. 宇航學(xué)報, 2016, 37(3): 245-252.[Ma Yuan, Li Yan-zhong, Wang Lei, et al. Review on on-orbit refueling techniques and schemes of cryogenic propellants[J].Journal of Astronautics, 2016, 37(3): 245-252.]

[72] 謝福壽, 雷剛, 王磊,等. 低溫推進(jìn)劑地面加注系統(tǒng)冷量利用方案分析[J]. 宇航學(xué)報, 2016, 37(12): 1507-1512.[Xie Fu-shou, Lei Gang, Wang Lei, et al. Analysis on utilization of cooling capacity for ground loading system of cryogenic propeppants[J].Journal of Astronautics, 2016, 37(12): 1507-1512.]

通信地址：西安市咸寧西路 28 號西安交通大學(xué)能動學(xué)院制冷及低溫研究所(710049)

電話：(029) 82668725

E-mail:wangjiaojiao0819@stu.xjtu.edu.cn

厲彥忠(1958-) ，男，教授，主要從事低溫流體流動與傳統(tǒng)規(guī)律研究。本文通信作者。

通信地址: 西安市咸寧西路 28 號西安交通大學(xué)能動學(xué)院制冷及低溫研究所(710049)

電話: (029) 82668725

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

Review of Cryogenic Boiling Heat Transfer during Pipe Chilldown

WANG Jiao-jiao1, LI Yan-zhong1,2, WANG Xin-bao1,WANG Lei1, YANG Yong-zhong3

(1. Department of Refrigeration & Cryogenic Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants, Beijing 100028, China；3. Taiyuan Satellite Launch Center, Taiyuan 036304, China)

In order to reveal the characteristics of the unsteady two-phase flow and heat transfer during the cryogenic pipe chilldown, literature investigation and comparative analysis are conducted to summarize the related research progress in this field. The main factors of the cryogenic pipe chilldown are investigated and classified, and the numerical results are studied. Moreover, the applicability of the existing flow boiling correlations to the cryogenic boiling process is discussed , and the related experimental research on the cryogenic pipe chilldown in the microgravity environment is summarized. Conclusions have been drawn as follows: 1) Compared with the typical flow boiling, the cryogenic chilldown boiling which can be reversely described by the typical boiling curve performs differently in the characteristics of the heat transfer and flow patterns; 2) The factors of the mass flow rate, the flow directions and the physical properties make an important influence on the mechanism and characteristics of the cryogenic pipe chilldown; 3) The traditional flow boiling heat transfer correlations can not apply to the heat transfer studies during the cryogenic chilldown boiling, and it should be paid more attention to developing new correlations to predict the pipe chilldown process. Based on the theoretical research and experimental progress of the cryogenic chilldown boiling, a suggestive research is proposed to provide the reference and theoretical basis for the safe and efficient filling of the cryogenic propellant.

Cryogenic propellant; Pipe chilldown; Boiling heat transfer; Correlations of boiling; Review

2017-03-03;

2017-06-01

國家自然科學(xué)基金(51376142，51406142)；陜西省博士后科研項目；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金;航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點實驗室開放課題(SKLTSCP1614)

V511+.6

A

1000-1328(2017)08-0779-10

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.08.001

王嬌嬌(1993-)，女，博士生，主要從事低溫兩相流動與換熱研究。