一种液氦储罐复合变密度多层绝热结构变密度优化方法

本发明涉及一种液氦储罐复合变密度多层绝热结构变密度优化方法，属于低温液体被动热防护技术领域。

背景技术：

氦气是一种单原子惰性气体，无色无味无毒，是人类目前发现的临界温度最低的物质。液氦具由极低的临界温度，高效对流传热特性及高量子力学零点能，因此，在宇宙探索、军工、制冷、医疗、半导体及磁铁生产、超导实验、光电子产品生产等领域发挥了不可替代的作用。目前，氦主要采用液相形式运输，但是液氦的极低温为液氦储罐的热防护要求带来了巨大的挑战。液氦储罐的保冷需要绝热性能优异的绝热结构，目前的绝热结构主要有真空多层绝热、变密度多层绝热、气冷屏绝热等形式。但是，采用单一的绝热结构时液氦储罐的漏热量偏大的问题依然存在，而液氦价格昂贵，因此，如何液氦提高储罐的保冷性能成为了一个需长期关注的问题。近年来，随着低温绝热技术的进一步发展，在多种方法联合应用的大趋势下，将两种或三种绝低温热技术联合应用的复合多层绝热及复合变密度多层绝热技术成为了本领域研究的热点。复合多层绝热是在真空多层绝热的内侧安装泡沫绝热层得到，其本质是真空多层绝热和普通堆积绝热的联合应用。而复合变密度多层绝热是在复合多层绝热技术的基础上进行变密度优化得到，其基本原理是减小冷边界附近的层密度以降低冷边界附近的固体导热热流密度，增加热边界附近的层密度以减少热边界附近的辐射传热，从而减小液氦储罐的漏热，减小液氦的蒸发损耗。根据现有的研究成果，以上两种绝热结构中，泡沫绝热层的引入和变密度的优化能够提高低温储罐的绝热性能。

但是，目前针对液氦储罐复合变密度多层绝热结构进行的变密度优化研究的存在以下问题。第一，目前关于多层绝热变密度优化的研究主要围绕多层绝热结构开展，目前尚无对于复合变密度多层绝热结构的研究；第二，针对液氦储罐复合变密度多层绝热结构的变密度优化研究很少，对于变密度优化的研究主要围绕液氢、液氮储罐开展。液氦是目前温位最低的液体，其临界温度低至5.15k，沸点低至4.2k，比lng、液氮等低温液体低得多，甚至比液氢还要低，液氦储罐对环境漏热的敏感性最高，漏热导致的蒸发损失及储运安全问题最严重，因此，针对液氦储罐复合多层绝热开展变密度优化研究的需求极为迫切，但目前几乎没有关于液氦储罐变密度优化研究的文献报道。第三，现有的变密度优化研究主要采用正交实验法或人为设定变密度优化终止条件，导致变密度优化结果并非最优，即储罐的绝热性能可进一步提高。因此，开展液氦储罐复合变密度多层绝热变密度优化方法的研究非常重要。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明的目的在于：在满足国家相关标准的条件下，提出了一种液氦储罐复合变密度多层绝热结构变密度优化方法，能够优化配置冷边界和热边界附近的间隔物数量，实现了液氦储罐复合变密度多层绝热结构的变密度优化，达到了提高液氦储罐绝热性能，降低液氦蒸发损耗的目的。

为实现上述目的，本发明提供一种液氦储罐复合变密度多层绝热结构变密度优化方法，所述液氦储罐复合变密度多层绝热结构变密度优化方法基于热力学方法，优化思路如下：首先，假定在相邻辐射屏之间配置1层间隔材料，然后从第一层间隔层开始，将其余间隔材料逐个添加到相邻两层辐射屏之间，每次在相邻两层辐射屏之间增加一层间隔材料，计算出增加这层新增间隔材料后的热流密度。随着这两层辐射屏之间间隔材料的增多，固体导热热流密度将逐渐减小。但是，在该位置增加的间隔材料过多时，间隔材料放气量的增加会降低该位置相邻辐射屏之间的真空度，从而导致残余气体导热增加，因此在增加间隔材料的过程中，综合热流密度受间隔物固体导热和残余气体导热共同影响，对于每一间隔层，综合热流密度关于间隔材料数量曲线存在最小值，该最小值所对应的间隔材料数量即为该位置的最佳间隔物数量，采用同样的方法对其余各层进行优化可得到复合变密度多层绝热结构。本发明提出的方法适用于液氦储罐的复合变密度多层绝热结构的变密度优化，具体过程如下：

1)设定基础参数

设定冷边界条件和热边界条件，设定复合多层绝热结构的辐射屏、间隔物及泡沫层的材料，初始温度线性化假设。

2)温度分布计算

对间隔层开始增加间隔物，进行迭代计算，计算增加间隔物后的层间传热热阻，并由热阻计算新的温度分布，直至温度分布计算结果满足收敛条件。

3)建立无量纲压强系数p*(i，n)

建立稳定条件下的多层绝热层压强分布方程，如下式所示。

其中，p0表示没有绝热层时真空系统的压强，pa；d表示扩散系数；δ表示绝热层厚度，m；ω0表示单位体积绝热层的放气量；f表示绝热外层面积，m²；s表示抽气速度。

对多层绝热层的压强分布方程采用退化、离散化等数学方法进行处理，并定义二元压强分布函数p(i，n)，由下式表示。

其中，i表示层位置，n表示增加的间隔物数量，n表示绝热层中的辐射屏总数，

当辐射屏之间不多增加间隔物(n＝1)，即变密度优化初始时刻的二元压强分布函数，由下式表示。

对上述二元压强分布函数进行递归处理，采用初始时刻的二元压强分布函数表示二元压强分布函数，如下式所示。

对上述二元压强分布函数进行无量纲化，由下式表示。

定义无量纲压强系数p*(i，n)，如下式表示。

4)初始二元压强分布函数参数拟合

对于初始二元压强分布函数p(i，1)中的未知参数，采用实验值进行反算。为了提高拟合精度，根据压强分布曲线的变化规律进行分段，对不同区间采用不同的二次曲线进行拟合，不同区间得到不同的函数，从而提高拟合的精度，如下式所示。

5)建立变密度优化模型

考虑间隔物的加入对固体导热的影响，在加入n个间隔物后，该相邻辐射屏之间的固体导热热阻增加为原来的n倍，即加入n个间隔物后的热流密度及导热系数如下式所示。

其中，qs-cond表示总热流密度，c表示经验常数，取0.008；δ表示间隔物材料相对于固体材料的相对密度；δx表示间隔物在辐射层之间的实际厚度，m；k表示间隔物材料的导热系数，w/(m²·k)；

考虑间隔物的加入对残余气体导热的影响，得到变密度多层绝热结构层密度优化模型，计算增加间隔物后的总热流密度，如下式所示。

其中，qtot表示总热流密度，qrad表示辐射热流密度，qg-cond表示总热流密度，σ表示stephan-boltsman常数，其值为5.675×10^-8w/(m²·k⁴)；ti表示温度较高辐射屏的温度，k；ti-1表示温度较低辐射屏的温度，k；εi表示温度较高辐射屏的发射率；εi-1表示温度较低辐射屏的发射率；p表示相邻辐射屏之间的气体压力(真空)，pa；α表示热适应系数，对于空气α＝0.9；r表示气体常数，8.314j/(mol·k)；m表示气体的摩尔质量，g/mol；t表示反射层表面的温度，k；γ＝cp/cv，cp表示等压比热容，j/(kg·k)；cv表示等容比热容，j/(kg·k)。

cp、ct分别表示温度和压力修正系数，由下式计算。

6)最有间隔物数量确定

对于每一层，依次添加间隔物后，热流密度曲线的最小值对应的间隔物数量即为最优间隔物数量。

本发明采取的技术思路：

考虑到间隔物的增加对多层绝热层间残余气体导热及固体导热产生影响，因此，从这两方面出发，建立复合变密度多层绝热机构的变密度优化模型，从而可以计算得到层密度连续变化的变密度布置。

本发明的有益效果是：

本发明一种液氦储罐复合变密度多层绝热变密度优化方法实现了变密度的优化，相比于人为设定变密度配置及正交实验优化法，保证了优化结果的合理性，进一步提高了复合变密度多层绝热结构液氦储罐的保冷性能。

附图说明

图1是本发明一种液氦储罐复合变密度多层绝热结构变密度优化方法模型图；

图2是本发明一种液氦储罐复合变密度多层绝热结构变密度优化方法计算流程图；

图3是本发明计算的1-6层辐射屏之间的间隔物最佳数量；

图4是本发明计算的7-12层辐射屏之间的间隔物最佳数量；

图5是本发明计算的13-18层辐射屏之间的间隔物最佳数量；

图6是本发明计算的19-24层辐射屏之间的间隔物最佳数量；

图7是本发明计算的25-30层辐射屏之间的间隔物最佳数量；

图8是本发明计算的31-36层辐射屏之间的间隔物最佳数量；

图9是本发明计算的37-40层辐射屏之间的间隔物最佳数量；

图10是本发明计算的连续变密度间隔材料分布。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细描述：如图1所示，一种液氦储罐复合变密度多层绝热结构变密度优化方法，以41层辐射屏的复合变密度多层绝热结构作为实施例，逐层计算最佳的间隔物数量，主要包括以下计算步骤：

1)设定边界条件，冷边界温度4.2k，热边界温度300k，假设多层材料内部初始温度为线性分布，辐射屏采用铝箔，间隔物采用涤纶网，多层材料厚度为0.315m，foam层厚度为0.0355m。

2)对于优化模型中的初始二元压强分布函数p(i，1)中的未知参数，采用实验值进行反算。为了提高拟合精度，根据压强分布曲线的变化规律分3段，对不同区间采用不同的二次曲线进行拟合，不同区间得到不同的函数，从而提高拟合的精度，如下式所示。

3)开始增加间隔物，逐层增加，每次增加一个，计算层间传热热阻，并以此计算新的温度分布，直至相邻两次计算结果误差小于0.0001k。

4)计算对应的二元压强分布函数p(i，n)，按式(2)计算。

计算层密度优化初始时刻的二元压强分布函数，按式(3)表计算。

计算无量纲压强系数p*(i，n)，按式(6)计算。

4)逐层计算增加间隔物后的总热流

计算每层在增加间隔物后的总热流，按照式(9)和式(10)计算。

5)随着层间间隔物的增加，残余气体导热和固体导热发生变化，导致总热流密度随着层间间隔物的增加呈先减小后增加的规律变化，判断总热流是否达到最小值，如果达到最小值，该最小值对应的间隔物数量即为该层的最优间隔物数量，如果没有达到，则继续增加间隔物，从步骤3)开始重新计算。

图3所示为1-6层辐射屏之间的间隔物最佳数量计算结果，可以看出，第一层间隔物的最佳数量为18层，第二层为15层。采用同样的方法计算得到其他各层的最佳间隔物数量，如图4-图9所示。

最终，计算得到各层的最佳间隔物数量，由内而外，间隔物数量逐渐减小，层密度逐渐增加。如图10所示。

从而实现了变密度的优化，得到了液氦储罐复合变密度多层绝热结构，在变密度优化后，液氦储罐的漏热较优化前下降，保冷性能提高。