【摘 要】
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低温推进剂作为运载火箭的燃料,其安全性极为重要。低温容器在放空过程中,可能会带入一定的空气进入系统,造成安全隐患。但国内外对于低温液体放空过程污染的机理均鲜有报道,
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低温推进剂作为运载火箭的燃料,其安全性极为重要。低温容器在放空过程中,可能会带入一定的空气进入系统,造成安全隐患。但国内外对于低温液体放空过程污染的机理均鲜有报道,防范也多属于经验指导。因此,开展低温液体放空过程中空气在放空管内扩散过程的机理与特性研究十分必要。本文针对低温容器在放空过程中可能存在的受环境气体污染问题,从理论和试验两个方面入手,研究液氢放空过程中空气在放空管中的扩散过程及其分布状况。理论上,根据气体动力学和传质学原理推导出空气在氢气中的扩散系数以及扩散通量计算公式。首先,运用流体动力学基本方程,得到在不同放空参数下的低温液体(气体)在排放过程中的状态。通过对边界层理论和各物性参数对雷诺数影响的分析,给出了边界层随着温度的升高而增大、随着流速和流动尺寸的增大而减小的结论。其次,对物质传递的机理进行了探讨,对几种分子扩散系数的理论计算方法、经验计算法以及测定分子扩散系数的实验方法进行了分析,给出了各种方法的优点、缺点以及误差范围。最后,通过对这些方法的分析和比较,最终得到了基于Lennard-Jones势模型和温度碰撞积分修正算出的非极性气体扩散系数的理论计算公式。通过对经验公式的分析,得出了扩散系数与温度、压力、碰撞积分等变量的具体指数关系,为空气在低温气体放空过程中扩散行为的理论计算提供了重要的指导和有力的依据。试验部分采取模拟液氢放空的状态的方法,分别进行不同流速下常温氢气和低温氢气(液氮温度)的放空试验,通过对放空管不同位置处的气体进行在线取样并分析其氧气含量,得出了相应放空状态下空气在放空管内扩散的程度,通过对各组试验数据进行综合整理,得到了温度、流速对放空时空气污染程度的影响规律。
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