高真空多层绝热低温容器完全真空丧失实验及传热机理研究

论文摘要

高真空多层绝热低温容器发生突然、完全的真空丧失(下称“低温容器真空丧失”),是其在使用过程中遇到的一种极端工况。发生该类事故后,其绝热夹层内部的传热过程复杂,对低温液体贮存的影响也非常大。以往针对低温容器发生真空丧失事故后的研究大多是验证设备的安全性与可靠性,研究结果的通用性较差,难以推广应用;同时以往研究的重点集中在低温容器真空丧失后宏观量(容器的蒸发率、漏热量、升压速度等)的获取上,对其内在传热机理的分析与研究很少。为了全面了解发生完全真空丧失事故对高真空多层绝热低温容器绝热夹层绝热及低温液体贮存过程的影响规律,本论文对这一可能引发重大安全事故的极限工况采用实验研究与理论分析、数值模拟相结合的方法进行更系统、更深入的研究,主要完成了以下研究内容:(1)提出了低温容器真空丧失后绝热夹层的非冷凝逐层传热计算模型。全面讨论了可能影响低温容器绝热夹层传热的各项参数对其真空丧失后绝热夹层传热造成的影响。结果表明,低温容器外筒体壁面温度、绝热材料层数、破空气体性质以及绝热材料包扎密度都是影响其完全真空丧失后绝热夹层传热的关键因素;间隔物导热系数对低温容器真空丧失后绝热夹层传热的影响较小;低温容器的高度则对真空丧失后低温容器绝热夹层的传热没有影响。(2)实验研究了低温容器初始充满率及绝热材料层数对低温容器真空丧失后绝热夹层传热的影响。结果表明,绝热材料层数对低温容器真空丧失后液相区内筒体外壁面的热流密度有重要影响,而低温容器初始充满率对其却没有显著影响。实验结果与本文建立的传热模型所得到计算结果的变化趋势完全一致,验证了计算模型的正确性。(3)实验研究了不凝结气体、可凝结气体、可凝华气体及混合气体分别作为破空介质时,对低温容器真空丧失后绝热夹层传热的影响。结果表明,可凝结气体、可凝华气体及混合气体进入低温容器的绝热夹层后从两个方面影响夹层内的传热:一是气体的凝结和凝华放热使绝热夹层的传热在真空丧失初始阶段急剧增强;二是由凝结和凝华生成的液体和固体附着于容器的内筒体和绝热材料上而加强了真空丧失稳定后的传热。提出了凝结和凝华气体进入低温容器绝热夹层后传热过程中综合导热系数(λcom)的概念,根据实验结果获取了二氧化碳和氧气进入液氮容器绝热夹层后,λcom随时间及绝热材料层数的变化关系式。(4)实验研究了低温容器初始充满率及绝热材料层数对其真空丧失后贮存过程的影响。结果表明,低温容器初始充满率和绝热材料层数都是影响低温容器真空丧失后贮存过程的重要因素。结合实验结果对АгафоновИ.М.提出的低温容器升压计算模型进行了拓展,使其适用于较高热流密度(180～220W/m2及280～320W/m2)条件下的低温容器无排放升压过程计算。拓展后的计算模型可以较好的计算出低温容器真空丧失后的升压过程(两者间的最大相对误差低于23%)。(5)采用双流体模型对低温容器真空丧失后贮存过程中的液体流动及温度分层现象进行了数值模拟。利用该模型获得的计算结果与实验结果有较好的吻合度(两者间的最大相对误差低于3%),能够较为准确的描述低温容器真空丧失后贮存介质的瞬时流动及温度分层现象,弥补了实验测量技术的不足,为更深入的研究低温容器真空丧失后液体的流动传热过程提供了新的方法和手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 低温容器真空丧失后绝热夹层的传热研究现状
• 1.2.1 航空航天领域中的相关研究
• 1.2.2 高能物理领域中的相关研究
• 1.2.3 民用领域中的相关研究
• 1.3 低温液体贮存及温度分层的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 低温容器真空丧失后的绝热夹层逐层传热模型
• 2.1 真空丧失后的绝热夹层传热过程分析
• 2.1.1 环境空气进入绝热夹层后的传热过程分析
• 2.1.2 盛装介质进入绝热夹层后的传热过程分析
• 2.2 低温容器真空丧失后绝热夹层非冷凝传热逐层计算模型的建立
• 2.2.1 低温液体与内筒体间的传热
• 2.2.2 低温容器内筒体的固体传热
• 2.2.3 低温容器绝热夹层内的传热
• 2.2.4 低温容器外筒体的传热
• 2.3 真空丧失后的绝热夹层传热影响因素分析
• 2.3.1 外筒体外壁面温度对真空丧失后绝热夹层传热的影响
• 2.3.2 绝热材料层数对真空丧失后绝热夹层传热的影响
• 2.3.3 间隔物导热系数对真空丧失后绝热夹层传热的影响
• 2.3.4 绝热材料包扎密度对真空丧失后绝热夹层传热的影响
• 2.3.5 进入绝热夹层内的气体种类对真空丧失后绝热夹层传热的影响
• 2.3.6 绝热夹层高度对真空丧失后绝热夹层传热的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 初始充满率及绝热材料层数对低温容器真空丧失后绝热夹层传热影响的实验研究
• 3.1 实验系统
• 3.1.1 实验用低温容器
• 3.1.2 高真空环境获取系统
• 3.1.3 真空丧失发生系统
• 3.1.4 测量系统
• 3.2 实验方案及实验流程
• 3.2.1 实验方案
• 3.2.2 实验流程
• 3.3 实验结果及讨论
• 3.3.1 真空丧失后低温容器绝热夹层内的压力变化
• 3.3.2 低温容器真空丧失后的排放量
• 3.3.3 低温容器真空丧失后的温度变化
• 3.3.4 低温容器真空丧失后的漏热量
• 3.4 实验结果与理论计算结果对比
• 3.4.1 液相区热流密度90 的对比
• 3.4.2 绝热夹层内温度分布的对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 破空气体性质对低温容器真空丧失后绝热夹层传热影响的实验研究
• 4.1 实验系统
• 4.1.1 实验用低温量热器
• 4.1.2 高真空环境获取系统
• 4.1.3 真空丧失发生系统
• 4.1.4 测量系统
• 4.2 实验方案及实验流程
• 4.2.1 实验方案
• 4.2.2 实验流程
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.3.1 不凝及混合气体导致的真空丧失
• 4.3.2 可凝结气体导致的真空丧失
• 4.3.3 可凝华气体导致的真空丧失
• 4.3.4 不同性质气体导致的真空丧失之间的对比
• 4.3.5 真空丧失后绝热夹层内的温度分布对比
• 4.4 不凝及混合气体破空实验结果与理论计算结果对比
• 0的对比'>4.4.1 液相区热流密度q₀的对比
• 4.4.2 绝热夹层内温度分布的对比
• 4.5 凝结与凝华气体进入绝热夹层后的综合导热系数
• 4.6 本章小结
• 第五章 低温容器真空丧失后贮存及传热规律的实验研究
• 5.1 实验系统
• 5.1.1 实验用低温容器
• 5.1.2 高真空环境获取系统
• 5.1.3 真空丧失发生系统
• 5.1.4 测量系统
• 5.2 实验方案及实验流程
• 5.2.1 实验方案
• 5.2.2 实验流程
• 5.3 实验结果及讨论
• 5.3.1 低温容器真空丧失后的压力上升
• 5.3.2 低温容器真空丧失后低温介质内的温度分布
• 5.3.3 内筒体外壁面温度
• 5.4 真空丧失后升压规律的计算及与实验结果的对比
• 5.4.1 真空丧失后密闭低温容器内的传热
• 5.4.2 升压计算模型及其拓展
• 5.4.3 真空丧失后压力上升计算结果及与实验结果的对比
• 5.5 本章小结
• 第六章 真空丧失后贮存液体流动及分层现象的数值模拟
• 6.1 物理模型
• 6.2 数学模型和边界条件
• 6.2.1 数学模型
• 6.2.2 边界条件
• 6.2.3 求解过程
• 6.3 计算结果与实验结果的对比
• 6.4 计算结果分析及讨论
• 6.4.1 绝热材料层数的影响
• 6.4.2 低温容器初始充满率的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附件