基于LBM-CA模型的自然对流下液氢中固空枝晶生长模拟

戴闻骁 雷 刚 郑晓红 梁文清 疏志勇 钱 华

(1 东南大学能源与环境学院 南京 210096)

(3 东南大学航天低温推进剂国家重点实验室合作基地 南京 210096)

(3 航天低温推进剂国家重点实验室 北京 100028)

1 引 言

液氢的储存形式具有综合密度高、方便使用、技术成熟的优点,尤其在航天用的火箭发动机上具有良好的应用前景。由于在液氢的加注,转运等过程中不可避免渗入空气,研究表明,液氢中积累的固空是富氧的[1],当固空中的氧浓度达到一定比例时,液氢系统易发生爆炸[2-4]。因此研究液氢系统中固空凝固过程对提高液氢系统安全性能有重要应用价值。

当液氢流动停止时,凝固释放的潜热和溶质导致局部密度不均将引发自然对流。相关研究表明[5],自然对流将对凝固过程中枝晶的生长产生影响。由于液氢的低温特性,且固空晶体在系统中随机位置形核生长,现有实验设备难以直接清晰观察到固空颗粒的微观形成过程,更难对其成分进行定量测量分析。刘海生[2-3]通过理论计算和掺杂-复温的实验方法测得在液氢系统复温过程中氮氧的浓度变化,得到固空晶体中心贫氧外表富氧的宏观定性结论,并观察到雪花状固空晶体,但未能定量给出氮氧浓度分布情况。

鉴于难以进行微观的实验观察和定量测量,本研究采用数值模拟的方法研究自然对流作用下固空的微观结构。传统的CFD 方法难以模拟凝固过程中晶体具体的微观组织,为将微观组织形成过程与流场、温度场、浓度场相耦合,选用格子玻尔兹曼(LBM)模型耦合元胞自动机(CA)的模拟方法。……