大型蒸发液氢储罐蒸汽冷却屏(VCS)的绝热效应与优化设计

为解决液氢储存中因超低温导致的蒸发损失难题，研究人员通过构建SOFI(喷涂泡沫绝热层)耦合VCS(蒸汽冷却屏)的三维稳态传热模型，系统分析了VCS管道数量(1-3根)、氢气流速(0.5-15 m/s)及流向对绝热性能的影响。研究发现5 m/s流速可最小化热泄漏，增加VCS管数至3根能提升周向温度均匀性，该成果为航天领域液氢储存系统的热管理优化提供了理论依据。

　　

在全球碳中和背景下，液氢储存技术因71 g/L的超高体积容量成为航天领域能源革命的焦点。然而液氢沸点低至-253°C，环境热泄漏引发的相变会显著缩短储存周期。传统多层绝热材料(MLI)虽能被动隔热，但无法回收蒸发氢气的冷却潜能。蒸汽冷却屏(Vapor-Cooled Shield, VCS)通过引导蒸发气体流经绝热层实现热循环利用，1957年首次应用即减少62%蒸发损失，但其非等温工况下的协同设计标准长期缺失，特别是VCS管道布局与流体参数的耦合机制亟待阐明。

针对这一挑战，中国研究人员建立了首个SOFI-VCS耦合三维稳态传热模型，创新性地引入温度依赖的SOFI导热系数拟合方程。通过ANSYS Fluent软件系统模拟了不同VCS构型下氢气流速(0.5-15 m/s)、流向及管数(1-3根)对3.56 kg无人机液氢储罐绝热性能的影响。

关键技术包括：1) 基于GB50177-2005标准设定0.4 MPa出口压力下的氢气流速梯度；2) 采用k-ε湍流模型捕捉低温流体动力学特征；3) 通过线性回归建立SOFI导热系数与温度的定量关系；4) 构建包含标准椭圆封头的全尺寸几何模型，直径337 mm，柱段长481.5 mm。

氢气流速影响
模拟显示流速主导VCS性能：5 m/s时热泄漏最低(0.410 W/m²)，较0.5 m/s降低53.2%。超过5 m/s后因湍流增强导致冷却效率下降，15 m/s时热流密度反弹12.7%。

流向效应
同向与逆向流动的总热损差异仅0.410%，但逆向流动使VCS表面温差从4.2K降至3.7K，显著提升温度场均匀性。

VCS管数优化
单管构型周向温差达8.3K，三管系统降至2.1K。管数增加通过扩展热交换面积使热泄漏降低19.4%，确定3管为最佳数量。

该研究首次揭示了流速-管数-流向的多参数协同机制：氢气流速通过改变对流换热系数调控冷却能力，管数优化则通过改善周向热分布提升整体效率。提出的三管VCS构型可使液氢储罐绝热性能提升21.8%，为航天器轻量化设计提供新思路。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，其建立的SOFI导热系数预测模型和三维仿真方法，为后续真空多层绝热(VDMLI)与VCS的复合设计奠定了方法论基础。