РЕЖИМ ПРЕДЕЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ НАДДУВЕ КРИОГЕННОГО БАКА
Автор: Светлана Владимировна Петрова
Соавторы: Городнов А.О., Черкасов С.Г.
Организация: АО ГНЦ "ЦЕНТР КЕЛДЫША", Московский физико-технический институт (НИУ)
Наддув топливного бака необходим для повышения или поддержания давления на заданном уровне во время отбора топлива. Эффективность наддува зависит от температуры газа, чем выше температура, тем меньше потребная масса газа наддува. Однако эффективность «горячего» наддува снижается из-за наличия теплообмена между газовой подушкой и жидкостью. Расчет теплового потока из газовой фазы в жидкость является сложной многопараметрической задачей, особенно для криогенных топливных баков [1].
В данной работе рассматривается асимптотический режим теплообмена [2] на межфазной границе, названный «режим предельного теплообмена», в котором тепловой поток из газовой фазы в жидкость считается предельно возможным. Предложена физико-математическая модель для описания основных интегральных характеристик процесса наддува в этом режиме. Получено уравнение теплового баланса на межфазной поверхности, записанное в безразмерной форме. Показано, что, с точки зрения эффективности системы наддува, режим предельного теплообмена является наиболее неблагоприятным.
Отдельное внимание уделяется решению задачи преднаддува криогенного топливного бака в режиме предельного теплообмена. Преднаддув выполняется на этапе предстартовой подготовки путем вдува бустерного газа без отбора топлива. Пренебрегая теплоемкостью стенки, было получено решение безразмерной задачи, которое зависит только от критериев подобия, характеризующих теплофизические свойства вещества, находящегося в баке, и безразмерной температуры газа наддува.
Используя полученное решение к задаче о преднаддуве водородного бака, была получена зависимость давления в баке от времени.
Сравнение с экспериментом [3] показало хорошее совпадения на начальных этапах, расхождение между расчетом по предложенной модели и экспериментом не превышает 10%. Однако примерно с 60 секунды предложенная модель существенно завышает создаваемый наддувом прирост давления. Одной из основных причин расхождения может быть неучет теплообмена со стенкой бака и конструкции диффузора в рамках предложенных соотношений.
1.Федоров В.И. Исследование тепломассообмена в баках кислородно-углеводородных и кислородно-водородных ракет-носителей во время работы двигательной установки. // Известия РАН. Энергетика. 2012. № 2. С. 43-53.
2. Петрова С.В., Городнов А.О., Черкасов С.Г.Обратные задачи тепломасопереноса при наддуве криогенных баков. // Материалы IV международной конференции современные проблемы теплофизики и энергетики. 2024, С. 214-215
3. Stewart M.E. Pressurization of a flightweight, liquid hydrogen tank: evaporation & condensation of a liquid vapor interface // AIAA Propulsion and Energy Forum. 2017, Atlanta.
