Влияние теплоемкости стенки на рост давления и температурное расслоение при тепловой конвекции паров водорода в вертикальной цилиндрической емкости


DOI: 10.34759/trd-2021-116-02

Авторы

Городнов А. О.*, Лаптев И. В.**

Исследовательский центр имени М.В. Келдыша, ГНЦ Центр Келдыша, Онежская ул., 8, Москва, 125438, Россия

*e-mail: an.ol.gorodnov@gmail.com
**e-mail: laptev@kerc.msk.ru

Аннотация

В работе рассматривается проблема влияния теплоемкости и теплопроводности стенки на температурное расслоение и рост давления при тепловой конвекции газообразного водорода в замкнутом сосуде в условиях, приближенно моделирующих паровую подушку криогенного топливного бака при хранении. Для описания процессов тепломассопереноса в газе применяется модель на основе приближения малых чисел Маха. В результате серии численных экспериментов получены оценки степени влияния стенки на скорость роста давления и величину температурного расслоения для случая вертикального цилиндрического сосуда с изотермической нижней границей.

Ключевые слова:

естественная конвекция, приближение малых чисел Маха, приближение гомобаричности, бездренажное хранение, паровая подушка

Библиографический список

  1. Ward W.D. et al. Evaluation of AS-203 Low-Gravity Orbital Experiment, NASA CR 94045 (Chrysler Corp. Space Div. Technical Report BB-3.4.3-5-101), 13 January 1967.

  2. Belyayev A.Yn., Ivanov A.V., Egorov S.D., Voyteshonok V.S., Mironov V.M. Pathways to solve the problem of cryogenic rocket propellant long storage in space // Proc. Int. Aerospace Congress, Moscow, Russia, August 15-19, 1994, vol. 1. pp. 558 - 562.

  3. Van Dresar N.T., Lin C.S., Hasan M.M. Self_pressurization of a flightweight liquid hydrogen tank: Effect of fill level at low wall heat flux // AIAA Paper, 1992. DOI: 10.2514/6.1992-818

  4. Hastings L.J., Flachbart R.H., Martin J.J., Hedayat A., Fazah M., Lak T., Nguyen H., Bailey J.W. Spray Bar Zero-Gravity Vent System for On-Orbit Liquid Hydrogen Storage, NASA TM-2006-212926, 2006. URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20040000092

  5. Seo M., Jeong S. Analysis of self-pressurization phenomenon of cryogenic fluid storage tank with thermal diffusion model // Cryogenics, 2010, vol. 50, no. 9, pp. 549 - 555. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2010.02.021

  6. Хуснетдинов И.Р. Анализ тенденций развития отечественных и зарубежных ракет-носителей сверхтяжелого класса // Труды МАИ. 2014. № 73. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=48480

  7. Партола И.С. Развитие средств математического моделирования двигательных установок ракет космического назначения // Труды МАИ. 2011. № 46. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=26017

  8. Полежаев В.И., Бунэ А.В., Верезуб Н.А. и др. Математическое моделирование конвективного тепломассообмена на основе уравнений Навье-Стокса. - М.: Наука, 1987. – 270 c.

  9. Полежаев В.И., Черкасов С.Г. Нестационарная тепловая конвекция в цилиндрическом сосуде при боковом подводе тепла // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1983. № 4. С. 148 - 157.

  10. Полежаев В.И. Конвективное взаимодействие в цилиндрическом сосуде, частично заполненном жидкостью, при подводе тепла к боковой и свободной поверхностям и дну // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1972. № 4. С. 77 - 88.

  11. Моисеева Л.А., Черкасов С.Г. Математическое моделирование естественной конвекции в вертикальном цилиндрическом баке при знакопеременном распределении теплового потока на стенке // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1996. № 2. С. 66 - 72.

  12. Lin W., Armfield S.W. Direct simulation of natural convection cooling in a vertical circular cylinder // International Journal of Heat and Mass Transfer, 1999, vol. 42, no. 22, pp. 4117 – 4130.

  13. Пивоваров Д.Е. Численное исследование конвективного теплообмена в наклонном продольном слое воздуха // Труды МАИ. 2013. № 68. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=41694

  14. Федюшкин А.И., Пунтус А.А. Нелинейные особенности ламинарных течений жидкости на земле и в невесомости // Труды МАИ. 2018. № 102. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=98829

  15. Ай М.В., Темнов А.Р. Вращение твердого тела с эллипсоидальной полостью, целиком наполненной стратифицированной жидкостью // Труды МАИ. 2015. № 79. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=55633

  16. Miroshnichenko I.V., Sheremet M.A. Turbulent natural convection combined with thermal surface radiation inside an inclined cavity having local heater // International Journal of Thermal Sciences, 2018, vol. 124, pp. 122 - 130.

  17. Martyushev S.G., Sheremet M.A. Conjugate natural convection combined with surface thermal radiation in a three-dimensional enclosure with a heat source // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, vol. 73, pp. 340 - 353. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.02.009

  18. Gray D.D., Giorgini A. The validity of the boussinesq approximation for liquids and gases // International Journal of Heat and Mass Transfer, 1976, vol. 19, no.5, pp. 545 – 551. DOI: 10.1016/0017-9310(76)90168-X

  19. Нехамкина О.А., Никулин Д.А., Стрелец М.Х. Об иерархии моделей тепловой естественной конвекции совершенного газа // Теплофизика высоких температур. 1989. Т. 27. № 6. С. 1115 - 1125.

  20. Paolucci S. On the filtering of sound from the Navier-Stokes equations, Sandia National Laboratories, Livermore, Rep. SAND824257, December 1982. URL: https://www.scirp.org/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID=614439

  21. Лапин Ю.В., Стрелец М.Х. Внутренние течения газовых смесей. - М.: Наука, 1989. - 368 с.

  22. Соболева Е.Б. Численное моделирование динамики околокритической жидкости в твердой пористой матрице. - М.: Институт проблем механики РАН, 2006. – 58 с.

  23. Beysens D., Chatain D., Nikolayev V.S., Ouazzani J., Garrabos Y. Possibility of long-distance heat transport in weightlessness using supercritical fluids // Physical Review E, 2010, vol. 82, iss. 6. DOI: 10.1103/PhysRevE.82.061126

  24. Chenoweth D.R., Paolucci S. Natural convection in an enclosed vertical air layer with large horizontal temperature difference // Journal of Fluid Mechanics, 1986, vol. 169, pp. 173 – 210. URL: http://dx.doi.org/10.1017/S0022112086000587

  25. Chenoweth D.R., Paolucci S. Gas flow in vertical slots with large horizontal temperature difference // Physics Fluids, 1985, vol. 28, no. 8, pp. 2365 - 2374.

  26. Черкасов С.Г., Лаптев И.В. Упрощенный расчет ламинарного свободно-конвективного слоя в газе // Тепловые процессы в технике. 2017. № 4. С. 146 - 153.

  27. Cherkasov S.G., Anan’ev A.V., Moiseeva L.A. Limitations of the Boussinesq Model on the Example of Laminary Natural Convection of Gas between Vertical Isothermal Walls // High Temperature, 2018, vol. 56, no. 6, pp. 878 – 883. DOI: 10.1134/S0018151X18060081

  28. Черкасов С.Г., Лаптев И.В., Ананьев А.В., Городнов А.О. Рост давления пр нестационарной естественной конвекции паров водорода в вертикальном цилиндрическом сосуде с постоянной температурой нижней границы // Тепловые процессы в технике. 2019. Т. 11. № 5. С. 203 – 215.

  29. Ferziger J.H., Peric M. Computational methods for fluid dynamics, Springer, 2002. DOI: 10.1007/978-3-642-56026-2

  30. Patankar S. Numerical heat transfer and fluid flow, Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1980, 197 p.

  31. Quazzani J., Garrabos Y. A new numerical algorithm for low Mach number supercritical fluid, Preprint Elsevier, 23 Apr. 2007. URL: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00142988

  32. Варгафтик. Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 721 c.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход