《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Design and evaluation of cryogenic sacrificial fluid-assisted insulation for boil-off reduction in liquid hydrogen Type-C tanks
编辑推荐：
为解决液氢(LH2)存储过程中因热量入侵导致蒸发损失(BOG)的问题，韩国船舶与海洋工程研究院(KRISO)的研究人员提出并评估了一种半主动绝热概念。该研究通过将液化天然气(LNG)或液氮(LN2)等低温牺牲流体(CSF)在嵌入绝热层的通道中循环，提前吸收外部热量，从而保护内罐。利用三维共轭传热和欧拉-欧拉多相流CFD模拟结合壁面沸腾模型，该研究发现针对结构支撑和封头-壳体连接处等主要热传导路径进行靶向流道布置，可使总热入侵减少高达66.5%。研究结果为平衡绝热效果与运行稳定性提供了具体的设计指导。
氢能作为零碳能源载体，因其高重量能量密度和适合长距离输配网络的特点，在交通和工业深度脱碳中扮演着越来越重要的角色。液氢在约20 K下的存储，其体积能量密度比气态氢高出约800倍，使其在航空航天和海事等大规模、长距离应用中极具吸引力。然而，与已成熟的液化天然气工业规模低温存储技术相比，储存液氢面临着更大的技术挑战，这主要源于其极低的沸点、对氢脆的敏感性以及严格的安全要求。因此，先进的低温绝热设计和热管理策略对于液氢储存至关重要。当绝热性能下降时，环境热量入侵会引发液氢蒸发，产生蒸发气体。这不仅降低了存储效率，还可能因储罐压力升高而需要再液化或泄放系统，从而影响长期储运的安全性和经济性。为了缓解热量入侵，人们已部署了多种低温绝热技术，如聚氨酯泡沫、多层绝热、珍珠岩和玻璃微珠等，但它们各有优劣。例如，多层绝热在高度真空下性能卓越，但对真空质量和安装工艺敏感。为了克服这些局限，韩国船舶与海洋工程研究院提出了一种创新的低温牺牲流体辅助绝热概念。这项研究旨在评估该概念应用于C型液氢储罐的性能，为优化通道几何和布局提供设计见解，相关成果发表在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》期刊上。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，他们使用了三维多相流热模拟，依托商业计算流体力学(CFD)软件STAR-CCM+，采用有限体积法(FVM)进行求解。为了精确捕捉低温牺牲流体在流道内的沸腾行为，研究采用了欧拉-欧拉多相流模型。该模型将各相处理为相互渗透的连续介质，并通过质量、动量、能量和湍流动能交换来模拟相间相互作用。尤为关键的是，模型集成了一个壁面沸腾模型，用以更准确地模拟低温条件下的相变行为。其次，为了精确捕捉低温牺牲流体与储罐固体结构之间的热传递，研究实施了共轭传热接口，确保了流体-固体边界上温度和热流的连续性，从而能更准确地预测界面处的热梯度。最后，考虑到内部流体系统雷诺数较高，流动处于湍流状态，研究采用了基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程的剪切应力传输k-ω湍流模型，以准确捕捉复杂内部流道的瞬态湍流行为，并应用“All y+壁面处理”来确保在高低雷诺数条件下的稳定近壁分辨率。
2.1. 控制方程
研究中使用的数学模型基于质量、动量和能量守恒定律。对于欧拉-欧拉多相流框架，控制方程描述了各相作为相互渗透连续介质的输运行为，并包含了由相变引起的相间质量、动量和能量交换项。此外，对于固体区域（如绝热层和结构部件）的热传导，采用忽略机械变形的固体能量方程进行建模。
2.2. 固体与流体区域间的共轭传热
在储罐固体结构与低温牺牲流体之间的界面上，应用了共轭传热方法来确保温度和热流的连续性。该方法将界面处的总热流分解为来自流体侧和固体侧的贡献，并通过线性化的热流公式进行耦合，从而能够准确模拟传导和对流主导的、具有陡峭热梯度的低温系统中的线性和非线性传热。
2.3. 湍流模型
由于流动雷诺数处于湍流范围，研究采用了剪切应力传输k-ω湍流模型。这是一个两方程涡粘模型，求解湍动能k和比耗散率ω的输运方程。该模型在近壁区域利用k-ω模型的高精度，在主流区域与k-ε模型混合，以改善在逆压梯度下的鲁棒性和性能。
2.4. 相变模型
为了准确模拟低温牺牲流体的相变行为和壁面沸腾现象，研究采用了集成在欧拉-欧拉多相流框架中的壁面沸腾模型。该模型将总壁面热流分解为三个物理上不同的分量：对流热流（加热与成核点不接触的液体）、蒸发热流（用于液体汽化的部分）和淬火热流（气泡脱离后对过冷液体的加热部分）。这个模型能够捕捉气泡成核、生长和脱离过程，比基于VOF（流体体积法）的方法具有更高的物理保真度。
通过一系列模拟计算，研究系统性地评估了低温牺牲流体辅助绝热系统的性能，并得出了以下主要结论：
首先，热平衡诊断揭示了主要热入侵路径。分析表明，结构支撑（如支架）贡献了超过85%的总热入侵量，这将其确定为主要的热屏蔽目标。这一发现为指导低温牺牲流体通道的靶向布置提供了关键依据。
其次，低温牺牲流体类型对性能有显著影响。研究比较了液化天然气和液氮两种流体。结果表明，液氮能提供更强的热屏蔽效果，但其蒸汽生成比对系统运行条件的变化比液化天然气更敏感。这意味着在选择冷却剂时，需要在绝热效能和运行稳定性之间进行权衡。
第三，流道几何和布置对性能优化至关重要。研究发现，沿主要传导路径（支撑结构和封头-壳体连接处）进行靶向布设，可以将总热入侵减少高达66.5%。研究还探讨了流道直径与储罐直径之比（d/D）、质量流量以及通道数量和空间布置的影响。在所研究的设计窗口内，流道比接近0.04标志着收益递减的开始，而非一个通用的几何阈值。努塞尔数（表征对流传热强度）的增加并不保证更低的蒸发率；研究从相界面质量传递项导出了一个蒸发率度量，用于量化传入热量中被相变消耗的比例，这解释了性能差异的原因。
最后，所提出的低温牺牲流体辅助绝热系统具有显著优势。与研究对比的蒸汽冷却屏蔽和液体冷却屏蔽等概念相比，该系统采用外部主动供应的液化天然气或液氮流道，通过三维共轭传热和欧拉-欧拉壁面沸腾计算流体力学进行分析，具有高可控性（流量分布、质量流量和路径均可设计/调整）。这代表了对传统被动屏蔽概念的显著突破，能够实现主动热管理，并在变化的运行条件下维持绝热性能。
归纳研究结论和讨论
本研究对韩国船舶与海洋工程研究院提出的应用于C型液氢储罐的低温牺牲流体辅助绝热概念进行了全面评估。研究表明，该系统通过主动循环相对“温暖”的低温流体（如液化天然气或液氮），使其在嵌入绝热层的通道中流动，能够有效“拦截”和吸收外部环境热量，防止其到达内部的液氢储罐，从而显著减少热入侵和由此产生的蒸发损失。
研究的核心结论指出，结构支撑是热入侵的主要通道，因此是热屏蔽的优先目标。通过沿着这些主导导热路径进行低温牺牲流体通道的靶向布置，可以最大化绝热效益，将总热入侵减少多达三分之二。研究还阐明了低温牺牲流体选择（液氮 vs. 液化天然气）的权衡，液氮绝热更强但对蒸汽生成更敏感。此外，研究明确了流道几何（d/D）设计中的收益递减点，并引入了基于相变的蒸发率度量，为理解传热与蒸发抑制之间的复杂关系提供了新视角。
这项研究的意义在于，它超越了以往多数研究关注的被动屏蔽概念或一/二维热力学优化，通过采用三维共轭传热和壁面沸腾计算流体力学模拟，对一种外部主动供液的低温牺牲流体架构进行了深入分析。这为未来大型液氢存储系统，尤其是在船舶等移动载具上的应用，提供了具有高可控性和主动热管理潜力的创新绝热方案设计思路。研究结果为平衡热效能与运行稳定性、优化通道几何与布局提供了具体、基于配置的设计见解，对推动液氢储运技术的实用化发展和氢能基础设施建设具有重要意义。
