随着低温液体在能源、航天等领域的广泛使用,低温技术得到快速发展,并渗透到国民经济的各个行业,低温液体储运技术也得到了广泛的关注。美国NASA提出的无损储存技术(Zero Boil-Off,ZBO),通过制冷技术与绝热技术的综合运用,可实现低温液体长期在轨无损储存。为深入研究ZBO储存过程中储罐内部流场变化规律,以高真空变密度多层绝热立式储罐为主要研究对象,搭建液氮无损储存实验平台,对充满率为0.7的低温储罐进行无损储存实验,分别针对制冷机关闭和制冷功率为5W@77K工况,对储罐内流场变化规律进行理论分析、仿真计算和实验验证。以热分层模型为基础对储罐进行简化,以格拉晓夫数Gr作为判断依据,对储罐内氮气和液氮流态进行判别。建立了储罐内气液两相流体的二维轴对称模型,采用CFD数值模拟方法进行仿真计算,并通过用户自定义程序(UDF)定义液氮蒸发冷凝过程气液相的传热传质模型,得到了低温储罐内流体温度场、速度场的瞬态变化规律。设计实验,得到储罐内压力、温度变化规律,并对其进行定性分析。将理论计算、仿真研究、实验测试结果相互验证,三者较为吻合,得到如下结论:(1)制冷机关闭工况下,格拉晓夫数Gr计算结果判断气相空间侧壁面漏热使氮气自然对流流态为层流,热量传递效率较低。仿真计算结果表明,氮气温度变化平稳,且从边界到储罐中心逐渐降低,气体流动速率较为缓慢,有利于减缓低温液氮的蒸发。实验测试结果表明储罐内压力、气体温度持续上升,且上升速率逐渐减慢,储罐顶部气体温度较高,气体之间热交换效率较低。(2)制冷机关闭工况下,格拉晓夫数Gr计算结果判断储罐液相区侧壁面漏热使液氮自然对流流态为湍流,流场波动较大,热量传递效率较高;仿真计算结果表明,液氮在储罐侧壁面形成热边界层,热边界层流体上升,到达储罐气液分界面处向储罐中心流动,形成放射状对流。蒸发降温后的热流体刺穿气液分界面,在气液界面下形成涡旋。储罐底部漏热形成大涡旋,流体内部扰动较大。(3)制冷功率为5W@77K工况下,格拉晓夫数Gr计算结果判断制冷机导热带传输冷量造成气相空间氮气及液相区液氮自然对流流态均为湍流,传热效率较高。仿真计算结果表明,冷量在导热带内传递速率高于冷量在导热带与周围氮气之间的传递速率,靠近导热带的局部区域氮气流速较大,温度下降较快。实验结果证实储罐内压力、温度持续下降,且下降速率较快,证明制冷机对储罐内压力、温度具有较好的控制作用。(4)制冷功率为6W@77K工况下,相比于制冷功率为5W@77K工况,冷量沿导热带传递速率加快,导热带周围氮气温度更早出现波动,氮气温度下降速度更快。储罐内液相区流场波动更为剧烈,且涡胞式流动现象更加明显。储罐底部涡旋从液氮主流体中获取能量,造成液相区湍流的脉动与混合,避免液氮流体出现分层和翻滚现象,表明制冷量增加有利于低温液体的安全储存。(5)依据热力学“耗散”原理对储罐底部液氮大涡旋进行解释。