陳 虹 鄒 陽(yáng) 梁文清 錢 華 高 旭

(1總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100028)(2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)

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液氮管道排空過(guò)程CFD模擬及分析

陳 虹1鄒 陽(yáng)2梁文清2錢 華2高 旭1

(1總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100028)(2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)

為研究低溫管路中低溫液體的排空過(guò)程,采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法中非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)以及流體體積(VOF)模型對(duì)管路中液氮向外排空過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.模擬結(jié)果顯示,當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量較小時(shí),氮?dú)怆m然會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)到達(dá)出口,但管道底部仍存有液氮,出現(xiàn)分層現(xiàn)象.這就需要通過(guò)氮?dú)鈳нM(jìn)的熱量使液氮受熱蒸發(fā)排空,致使完全排空時(shí)間變長(zhǎng).隨著氮?dú)赓|(zhì)量流量的增大,排空時(shí)間變短.當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁吭黾拥揭欢〝?shù)值時(shí),管道底部無(wú)液氮?dú)埩?可以直接完全排空.該研究結(jié)果可以同時(shí)為排空低溫液氫等危險(xiǎn)流體提供理論指導(dǎo).

管路排空;低溫液體;數(shù)值模擬;流體體積

隨著低溫技術(shù)的發(fā)展,低溫液體產(chǎn)品已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用.在低溫管路中,低溫液體如液氫、液氧、液氮等在加注完成后,加注管道內(nèi)會(huì)存有低溫液體.對(duì)于一些比較復(fù)雜的管路,液體無(wú)法靠自身重力排出管道,一般采用向管內(nèi)注入常溫氣體的方法將低溫液體排出管路.氣體注入會(huì)推動(dòng)低溫液體運(yùn)動(dòng),同時(shí)由于氣體為常溫,所以會(huì)加熱低溫液體,使與氣體接觸的低溫液體氣化從而加快低溫液體的排空過(guò)程.進(jìn)行低溫流體管路排空實(shí)驗(yàn)時(shí),無(wú)法對(duì)管路內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行直接觀測(cè),只能觀測(cè)出口處的排放情況,利用數(shù)值模擬方法可以增加對(duì)低溫液體管路排空現(xiàn)象規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解.

文獻(xiàn)[1]研究了不同氣體體積分?jǐn)?shù)以及不同速度情況下液氫向外排放過(guò)程,主要關(guān)注液氫排出管道后在外界的流動(dòng)情況.文獻(xiàn)[2]研究了在低質(zhì)量和熱流條件下接近水平的液氮和液氫兩相流動(dòng)模型.文獻(xiàn)[3]建立液氮在垂直圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰過(guò)程模型,并進(jìn)行了數(shù)值模擬.文獻(xiàn)[4]對(duì)液氮的沸騰進(jìn)行了CFD模擬,同時(shí)通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.文獻(xiàn)[5]對(duì)貯箱內(nèi)低溫推進(jìn)劑氣化進(jìn)行CFD模擬,研究箱內(nèi)傳熱傳質(zhì)情況.本文基于研究現(xiàn)狀與實(shí)際問(wèn)題,為了直觀地觀察管道中低溫液體在排空過(guò)程以及流動(dòng)規(guī)律,利用氮?dú)夂鸵旱獊?lái)模擬低溫管道中的排空過(guò)程,采用CFD方法對(duì)管內(nèi)低溫液體的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真.

1 物理模型

本文研究的管道如圖1所示.管道直徑為0.1 m,左側(cè)為進(jìn)口,高度為2.0 m,右側(cè)為出口,高度為2.2 m.管外包有保溫材料,假設(shè)管道與外界環(huán)境無(wú)熱量交換.選取液氮作為低溫液體介質(zhì),同時(shí)選取常溫氮?dú)庾鳛闅庠?氮?dú)馔ㄟ^(guò)左側(cè)管道的進(jìn)口注入管道內(nèi).在初始時(shí)刻t=0 s時(shí),假設(shè)管道內(nèi)充滿液氮,管內(nèi)液氮的平均溫度為77 K,通入氮?dú)獾钠骄鶞囟葹?98 K.氮?dú)鈴倪M(jìn)口充入管道內(nèi)會(huì)推動(dòng)液氮向前流動(dòng),同時(shí)由于氮?dú)鉁囟冗h(yuǎn)高于液氮溫度,故在氮?dú)馀c液氮的接觸面上氮?dú)鈺?huì)加熱液氮使之氣化,產(chǎn)生氣液兩相氮.液氮的氣化使液氮量減少,從而進(jìn)一步減少管內(nèi)的液氮量.主要物理過(guò)程為氮的多相流動(dòng)過(guò)程和氮的相變過(guò)程.

圖1 管道示意圖(單位:m)

2 數(shù)學(xué)模型

為滿足仿真需要,低溫管道的數(shù)學(xué)模型除了包括多相流的通用控制方程外,還需要建立相變的蒸發(fā)冷凝模型.

2.1 多相流控制方程

關(guān)于多相流的計(jì)算有3種歐拉多相流模型,即VOF(volume of fluid)模型、混合(mixture)模型和歐拉(Eulerian)模型.可以選取VOF模型來(lái)追蹤相界面.VOF模型根據(jù)各個(gè)時(shí)刻流體在網(wǎng)格單元中所占體積分?jǐn)?shù)α來(lái)構(gòu)造和追蹤自由面.若在某時(shí)刻網(wǎng)格單元中α=l,則說(shuō)明該單元全部為指定相流體;若α=0,則該單元全部為另一相流體,相對(duì)于前相流體則稱為空單元;當(dāng)0<α<1時(shí),則該單元為包含兩相物質(zhì)的交界面單元[6].

1) 連續(xù)性方程

(1)

式中,αl為液相的體積分?jǐn)?shù);ρl為液相的密度;ul為液相的速度矢量;Sm為質(zhì)量源項(xiàng),表示氣液相間傳質(zhì)過(guò)程引起的單位體積質(zhì)量交換率.

2) 動(dòng)量方程

(2)

式中,P為流體壓力;[τl]為應(yīng)力張量.

3) 能量方程

(3)

2.2 蒸發(fā)冷凝模型

當(dāng)?shù)蜏匾后w被加熱時(shí),若溫度高于沸點(diǎn)溫度,則液體會(huì)氣化蒸發(fā).當(dāng)蒸汽溫度低于飽和氣體溫度時(shí),蒸汽會(huì)冷凝成液滴.由于置換氣體溫度遠(yuǎn)高于低溫液體溫度,低溫液體會(huì)被加熱產(chǎn)生氣化.

根據(jù)Lee[7]的模型,當(dāng)液體溫度大于飽和溫度時(shí),有

(4)

式中,mlv為液體蒸發(fā)變?yōu)闅怏w的質(zhì)量;c為控制相變強(qiáng)度因子;Tl為液體溫度;Tsat為液體飽和溫度.

當(dāng)氣體溫度小于飽和溫度時(shí),有

(5)

式中,mvl為氣體冷凝變?yōu)橐后w的質(zhì)量;αv為氣相的體積分?jǐn)?shù);ρv為氣相的密度;Tv為氣體溫度.

以上2種情況所對(duì)應(yīng)的能量傳遞分別為

Qlv=mlvq

(6)

Qvl=mvlq

(7)

式中,Qlv為蒸發(fā)時(shí)的傳遞熱量;Qvl為冷凝時(shí)的傳遞熱量;q為氣化潛熱.

de Schepper等[8]采用模型(1)～(7)對(duì)換熱管內(nèi)的沸騰過(guò)程進(jìn)行了模擬,取c=0.1 s-1;Alizadehdakhel等[9]對(duì)熱管內(nèi)的蒸發(fā)冷凝現(xiàn)象進(jìn)行了計(jì)算,取c=0.1 s-1;Yang等[10]對(duì)水平盤管內(nèi)R141B沸騰流動(dòng)進(jìn)行模擬,取c=100 s-1. 由于液氮的相變強(qiáng)度控制因子與水和R141B都不同,且蒸發(fā)強(qiáng)度與沸騰過(guò)程強(qiáng)度相比較小,同時(shí)參考實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況,本文計(jì)算選取c=0.01 s-1.

3 網(wǎng)格劃分與計(jì)算方法

3.1 網(wǎng)格劃分

通過(guò)Gambit軟件建立管道三維仿真模型.模型網(wǎng)格為流體區(qū)域,對(duì)靠近壁面的流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密.將模型網(wǎng)格劃分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,管道圓面網(wǎng)格采用O-Block方法進(jìn)行劃分,體網(wǎng)格采用Cooper方法進(jìn)行劃分,網(wǎng)格數(shù)量為8.19×105.劃分結(jié)果符合網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證.局部網(wǎng)格劃分如圖2所示.

(a) 管道截面網(wǎng)格

(b) 管道彎管處網(wǎng)格

3.2 計(jì)算方法

模擬計(jì)算選用Fluent軟件.初始時(shí)管內(nèi)充滿液氮,液氮初始溫度為77 K,通入氮?dú)獾臏囟葹?98 K,氮?dú)赓|(zhì)量流量分別為5,10,20和30 g/s.流動(dòng)類型為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng),湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型.選擇基于壓力的求解器,速度壓力耦合選用SIMPLE算法,選擇VOF多相流模型,相變模型中的質(zhì)量項(xiàng)和能量項(xiàng)通過(guò)UDF(user defined function)編譯的形式加入計(jì)算方程中進(jìn)行求解.經(jīng)多次比較,時(shí)間步長(zhǎng)取為0.1 s,總步長(zhǎng)為2 000步.當(dāng)數(shù)值計(jì)算的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程的殘差分別為10-4,10-6,10-6量級(jí)時(shí),認(rèn)為計(jì)算收斂.

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 氮?dú)赓|(zhì)量流量對(duì)流動(dòng)的影響

初始時(shí)刻管內(nèi)充滿液氮,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的氮?dú)獬淙?管內(nèi)流動(dòng)為氣液兩相流.圖3(a)、(b)為氮?dú)赓|(zhì)量流量mN2=5 g/s時(shí)各個(gè)時(shí)間管內(nèi)氣相的分布情況.當(dāng)t=20 s時(shí),進(jìn)入的氮?dú)庖呀?jīng)到達(dá)出口處,但管道底部留有液氮;當(dāng)t=60 s時(shí),管道底部剩余少量液氮;隨著時(shí)間的推移,當(dāng)t=80 s時(shí),管內(nèi)幾乎全部為氮?dú)?從流動(dòng)過(guò)程可以分析得到,由于重力的原因,當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量較小時(shí),管內(nèi)有明顯的分層現(xiàn)象,管道底部存有液氮.氮?dú)獠荒軐⒐艿纼?nèi)的液氮全部排出.隨著時(shí)間的推進(jìn),氮?dú)饽軌蚣訜嵋旱怪瘡亩颗趴找旱?當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量為10 g/s時(shí),不同時(shí)間管內(nèi)氣相分布如圖3(c)、(d)所示,排空時(shí)間約為30 s.當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量為20 g/s時(shí),各個(gè)時(shí)間管道內(nèi)氮?dú)夥植既鐖D3(e)、(f)所示.當(dāng)t=13 s時(shí),從進(jìn)口進(jìn)入管道的氮?dú)庖呀?jīng)到達(dá)出口處,管道底部無(wú)液氮.當(dāng)t=17 s時(shí),管內(nèi)幾乎全部為氮?dú)?當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量為30 g/s時(shí),各個(gè)時(shí)間管道內(nèi)氮?dú)夥植既鐖D3(g)、(h)所示.當(dāng)t=12 s時(shí),從進(jìn)口進(jìn)入管道的氮?dú)獾竭_(dá)出口處,同時(shí)管內(nèi)幾乎全部為氣體.當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量為30 g/s時(shí),不同時(shí)刻的溫度和速度分布如圖4和圖5所示.在圖4(b)中,出口處管內(nèi)最低溫度為220 K,且管道其他部分溫度都高于出口溫度,此時(shí)可認(rèn)為完成排空.由圖5(a)、(b)對(duì)比可以看出,隨著管內(nèi)液氮的減少,流速越來(lái)越大.

(a) mN2=5 g/s，t=20 s

(b) mN2=5 g/s，t=60 s

(c) mN2=10 g/s，t=10 s

(d) mN2=10 g/s，t=20 s

(e) mN2=20 g/s，t=5 s

(f) mN2=20 g/s，t=15 s

(g) mN2=30 g/s，t=5 s

(h) mN2=30 g/s，t=10 s

(a) t=5 s

(b) t=10 s

(a) t=5 s

(b)t=10 s

通過(guò)計(jì)算比較發(fā)現(xiàn),不同的氮?dú)赓|(zhì)量流量會(huì)對(duì)管道底部存有的液氮量產(chǎn)生影響.當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量較小時(shí),管道底部會(huì)有液氮?dú)埩?存在明顯的分層現(xiàn)象(見(jiàn)圖3(a)),殘留的液氮需要被氮?dú)饧訜釟饣蟛拍苓M(jìn)一步排空.當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量變大時(shí),管道底部的液氮被吹走排空.因此,對(duì)于復(fù)雜管路,較大的氮?dú)赓|(zhì)量流量可以排出管道內(nèi)的液氮.液氮的排空模擬計(jì)算對(duì)液氫、液氧以及其他低溫液體的排空具有指導(dǎo)意義.

4.2 氮?dú)赓|(zhì)量流量對(duì)排空時(shí)間的影響

當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量較小時(shí),需要較長(zhǎng)的排空時(shí)間.在進(jìn)口氮?dú)庖堰_(dá)到出口處時(shí),若管道底部仍有液氮,氮?dú)鉄o(wú)法將液氮全部排出,需要較長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)液氮進(jìn)行加熱氣化以排空管道.隨著氮?dú)赓|(zhì)量流量的增大,排空時(shí)間逐漸減小,管道底部無(wú)液氮.當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量為20 g/s時(shí),排空時(shí)間為17 s;當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量為30 g/s時(shí),排空時(shí)間為12 s.針對(duì)不同氮?dú)赓|(zhì)量流量的模擬計(jì)算結(jié)果如圖6所示.由圖可見(jiàn),隨著質(zhì)量流量的增大,排空時(shí)間逐漸減少.此外曲線表明,氮?dú)赓|(zhì)量流量與排空時(shí)間近似呈反比關(guān)系,表明排空管內(nèi)液氮需要的氮?dú)饬看嬖谝欢ǖ姆秶?因此在已知?dú)庠促|(zhì)量流量時(shí),可預(yù)測(cè)出排空所需的時(shí)間.由于氮?dú)饬髁枯^小時(shí)排空過(guò)程中管道底部存有液氮,需要繼續(xù)通入氮?dú)馐蛊鋸倪M(jìn)口到達(dá)出口的時(shí)間和液氮排空時(shí)間存在較大的時(shí)間差.隨著氮?dú)赓|(zhì)量流量的增大,管道底部液氮量逐漸減少,使時(shí)間差不斷縮小,最終2個(gè)時(shí)間近似相等.

圖6 氮?dú)赓|(zhì)量流量與排空時(shí)間關(guān)系

4.3 模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)選取了氮?dú)赓|(zhì)量流量為20和30 g/s時(shí)的2種工況,實(shí)際管路的直徑、進(jìn)出口高度以及管長(zhǎng)如圖1所示.同時(shí)在實(shí)際管道底部水平管道末端設(shè)有手動(dòng)閥門,在認(rèn)為排空過(guò)程結(jié)束后,可以通過(guò)打開(kāi)閥門觀察是否有殘液流,來(lái)確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果.模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖6所示.對(duì)氮?dú)膺M(jìn)氣量為30 g/s的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察,記錄液氮出口持續(xù)出液時(shí)間平均約為14～15 s. 15 s后出口無(wú)液體排出,出口為氮?dú)? 緊接著打開(kāi)底部閥門,此時(shí)無(wú)液氮流出,可認(rèn)為排空過(guò)程完成. 當(dāng)?shù)獨(dú)膺M(jìn)氣量調(diào)整為20 g/s時(shí),通過(guò)觀察得到30 s后出口無(wú)液氮流出.此時(shí)打開(kāi)底部閥門,仍有少量的液氮流出.同時(shí)通過(guò)圖3(f)可以注意到底部水平管段在排空過(guò)程中也有少量的液氮,表明實(shí)驗(yàn)與CFD模擬計(jì)算得到的排空現(xiàn)象類似,但兩者排空時(shí)間誤差較大.在氮?dú)膺M(jìn)氣量為30 g/s的情況下,實(shí)驗(yàn)與CFD模擬計(jì)算結(jié)果的誤差為3 s左右,可近似認(rèn)為模擬結(jié)果可行.但當(dāng)?shù)獨(dú)膺M(jìn)氣量為20 g/s時(shí),雖然排空過(guò)程現(xiàn)象類似,但兩者排空時(shí)間之間的誤差較大.出現(xiàn)誤差的原因可能是由于控制相變強(qiáng)度因子c的選取存在一定偏差;此外模擬計(jì)算將管道簡(jiǎn)化為絕熱管道,狀態(tài)不發(fā)生變化,而實(shí)際管道與外界以及管內(nèi)流體會(huì)發(fā)生熱交換,并受一些其他實(shí)際因素的影響.

5 結(jié)論

1) 當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量較小,進(jìn)口通入氮?dú)怆m然在很短時(shí)間內(nèi)到達(dá)出口,但管道底部仍存有液氮,有明顯的氣液分層現(xiàn)象,需要繼續(xù)通入氮?dú)鈳?lái)熱量使液氮?dú)饣瘡亩趴展艿?增加了排空時(shí)間.當(dāng)?shù)獨(dú)赓|(zhì)量流量較大時(shí),在一定的時(shí)間內(nèi)氮?dú)饪梢詫⒁旱耆懦?且底部無(wú)液氮?dú)埩?排空時(shí)間縮短.因此較大的氣體質(zhì)量流量有利于液氮的排空.

2) 將CFD模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較.雖然兩者結(jié)果之間存在一定的誤差,但為理解管道內(nèi)低溫流體的排空提供了直觀理解和指導(dǎo).為進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性,后續(xù)研究將從控制相變強(qiáng)度因子修正以及實(shí)際管路動(dòng)態(tài)變化過(guò)程兩方面展開(kāi).

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CFD simulations and analyses on emptying process of nitrogen pipeline

Chen Hong1Zou Yang2Liang Wenqing2Qian Hua2Gao Xu1

(1State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants,Center for Engineering Design and Research Under the Headquarters of General Equipment, Beijing 100028, China)(2School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To investigate the emptying process of pipeline of cryogenic liquid, unsteady flow and volume of fluid (VOF) models in computational fluid dynamics (CFD) method were used to simulate of release process of the liquid nitrogen. Simulation results were validated by experimental results. The simulation results show that when nitrogen flow rate is lower, it can throughout the pipe for some time but some liquids remain in the pipe bottom. And the stratified phenomenon can be obtained. By using nitrogen injection to heat liquid nitrogen and make it evaporated, it can be empty totally at the end. Also the totally emptying time of liquid is longer. With the nitrogen flow rate increasing, the empty time is shorter. When nitrogen flow rate is beyond a certain level, the nitrogen can push and empty the nitrogen directly and no liquid remains. The results also provide a theoretical guidance for emptying liquid hydrogen and other dangerous cryogenic liquids.

pipeline releases; cryogenic liquid; numerical simulation; volume of fluid (VOF)

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.023

2015-12-26. 作者簡(jiǎn)介: 陳虹(1966—),女,研究員;梁文清(聯(lián)系人),男,博士,副研究員,hemelrijken@126.com.

航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(SKLTSCP1512).

陳虹,鄒陽(yáng),梁文清,等.液氮管道排空過(guò)程CFD模擬及分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(6):1246-1250.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.023.

TB611

A

1001-0505(2016)06-1246-05