Liquid Hydrogen Reading 2

An intermolecular potential for hydrogen: Classical molecular simulation of pressure–density–temperature behavior, vapor–liquid equilibria, and critical and triple point properties

类别：Hydrogen properities; intermolecular simulation; liquid-vapor transition

• Classic Monte Carlo: 忽略量子效应
• vapor-liquid equilibrium(VLE)
• Quantum effect: 使得两相区更为狭窄、降低临界温度，这种量子效应可能是3-body interaction导致的

本研究主要关注2-body and 3-body potential的耦合作用，研究发现该结果可能不满足相图中的the law of rectilinear diamters(密度中线定律)

引入

求分子间势能的方法：

• post-Hartree-Fock method
• high level coupled-cluster method
• configuration interaction method

临界物性

忽略量子效应的物性仍需进一步研究与测量，然而这一步骤具有挑战性，因为并没有合适的参考液体能够使用。
本研究聚焦于合并 ab initio two body and three-body potentials源于其高计算精度。

理论研究

分子间作用模型

• two-body interactions: using simplified ab initio atomic potential(SAAP)

(对势证明是各向异性的)

• three-body interactions: uisng Axilord-Teller-Mut(ATM) potential

VLE properties

method:

• Classical Monte Carlo (MC) simulations using Gibbs-Duhem interaction (GDI)
• SAAT+ATM

SLE simulation for triple point(tp)

第二Virial系数

计算结果

• 预测第二virial系数：
  和实验结果偏差度：SG potential SAAP SAAP(考虑first 和 second Feynman-Hibbs terms)
  其中在以下偏差均较大，说明显示出不考虑量子效应的影响

• 相图
  SAAP+ATM在三个温区下比SGP拟合效果更好

• 相图
  SAAP和SAAP+ATM相分界线均在参考线上方，其中SAAP偏离更大（同温下，气液密度差更大，气体密度增大，液体密度减小）

• 相图
  SAAP和SAPP+ATM相分界线均在参考线右侧，其中SAAP偏离更大（相同压力下，饱和温度更大）

• 预测VLE

• 预测临界点

Effect of baffles on pressurization and thermal stratification in cryogenic tanks under micro-gravity

NEAR failed its mission due to propellant slosh in the fuel tank caused by an orbital maneuver

• Splash almost certainly occurs in the tank and the highest splashing amplitude appears in the vicinity of the tank wall
• drilling holes on baffles help to mitigate the slosh amplitude by 10-25%
• more drilling holes bring further mitigation of slosh force on the tank wall
• transverse 2-d slosh mode in both spherical and ellipitcal tanks using a simple semi-analytic approach base on linearized theory.

低温容器挡板模型

重力梯度：from to

充液率：from to

挡板间距：from to

偏转角： ， ，

挡-壁间隔：from to

无量纲Bond number，表征重力及表面张力主导占比

	重力占主导
	表面张力占主导

VOF方法适合用用于低算力追踪气液界面

结果分析

重力等级

• 随着重力减小，相界面逐渐由与地面储罐类似的平面变为椭球面
• 随着重力减小，速度场逐渐随着相界面变化，越靠近相界面速度越大；涡流出现于隔板处与界面处，随重力减小，靠近隔板处的自然对流逐渐增强
• 随着重力减小，温度分层逐渐减弱，说明液体的局部过热现象受阻

表面张力面积

• 在无重力平衡态达到最小值
• 在球形界面且接触角为0时达到最大值

温度梯度

随着重力减小，

• 垂直方向温度分布趋于相同（气体温度降低）
• 垂直方向温度梯度逐渐趋于平稳，自然对流增强，温度分层减弱；底部温度分层弱于界面（液体与）
• 水平方向温度分布逐渐下降（气液温度均降低），且靠近壁面温度从高于中心温度变为低于中心温度（存在液滴降低温度）
• 水平方向温度梯度没有明显的重力相关性

充液率

储罐传热：

1. 空箱传热-导致气相温度升高以至自增压
2. 壁面传热
   1. 影响液相自然对流的传热
   2. 影响气泡形成的传热
   3. 影响蒸发的传热

随着充液率增大，储罐1000s时自增压数值平滑减小，但在本研究中处发生骤降。

• 无挡板时，润湿壁面面积越大，压力降低越慢
• 有挡板时，若凹液面交于上档板，则之间润湿壁面积近乎完全润湿，因此压力几乎不变

挡板间距

证明液相区晃动在单隔板情况下比双隔板更为猛烈。

• 随着间距增加，增压值先增大再减小，存在峰值
• 随着间距增加，液相体积随时间增长趋于平稳
• 相分布图片也解释高间距下，表面张力对液相影响作用更大，使得液相区域趋于平稳

接触角

• 两隔板夹角相对，自然对流较弱，温度分层明显，最大温度小，增压小
• 两隔板夹角相反，自然对流加强，温度分层减弱，最大温度大，增压大

间隔

间隔越小，则液相会因为表面张力而爬升，不会造成大的温差；相反，间隔越大，则再间隔中会存在蒸气相，产生涡旋，局部速度增大，温差增加。

充液率

充液率越低，隔板降低增压能力越小，充液率高度低于隔板高度，则无降增压效果；
充液率越高，隔板降低增压能力越大，充液率高度高于所有隔板高度，则达到最大降增压效果；

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Free surface oscillations of liquid hydrogen in microgravity conditions

Ohnesorge Number用于表示自由表面自由振荡的阻尼

仲氢是一种perfect wetting liquid？

实验部分

实验装置：

• 主体：恒温器+盛液容器+真空绝热+氦恒温池
• 加热元件*3，分别位于三个高度不同的壁面用于提供温度梯度以及等温实验
• 温压传感器
• 可视化探测

材料性能
热容、粘度、温度、强度均满足一定要求

实验准备

设立三个组别A、B、C

A2	A5	B6	C4	C1	C3
恒温	恒温+底部加热	温度梯度+法兰加热	温度梯度+底部加热	温度梯度+成核沸腾	温度梯度+底部加热成核沸腾
对照组		温度梯度		温度梯度成核沸腾

实验结果

• 自由表面初始状态与理论的比较-相关性好

等温

• 等温条件下，失重过程内，液面中心下降，液壁接触位置上升；失重结束后，液面中心发生持续振荡，预测结果最终稳定在处，液壁接触位置稳定在处。（重定位[reorientation]）
• 壁面温度不考虑光照温差外保持稳定性良好；蒸气温度在失重过程中逐渐升高

非等温

• 非等温条件下，同等温条件会在失重过程内，液面中心下降；失重结束后发生振荡，但振幅较小，稳定位置高于等温预测结果位置；同时振荡频率也相较等温条件下加快
• 壁面温度由于容器材料的热扩散系数以及厚度，导致传热具有延迟效应；失重时，壁面被液面浸湿后温度单调下降；蒸气温度随失重过程而升高；对于液氢在较顶部蒸气处在经过一段时间后会有振荡下降趋势

关于为什么液体过热：
实验中的目标是研究温度梯度对液体行为的影响,因此需要刻意制造出一定的温度梯度。在第三组实验中，实验目标是创造温度梯度以导致液体表面出现核沸腾。

虽然实验中尽量保持整个系统的绝热性,但仍有少量的热量通过连接两个不锈钢法兰的方式传入,导致容器壁温度逐渐升高,使液体处于过热状态。

关于液面振荡

液氩和液态甲烷的振荡频率随温度梯度增大而近似线性增大；
液仲氢并不遵循线性性：随温度梯度频率先增大后趋于稳定值
在无温度梯度下三者无量纲频率近似相等
误差主要由液面做非简谐振荡引起

壁面温度梯度对自由表面接触线的运动速度没有明显影响,接触线运动速度与理论预测的特征速度量纲一致

• 分析原因

  • 过热壁面会引起接触角增大，可能会影响重定位过程

随温度梯度增加，重定位液面中心点位置有增大趋势
随温度梯度增加，容器内压力增大趋势
且在失重稳定状态下呈强线性相关。

在自由表面重新定向过程中,蒸发和凝结效应主导了压力的变化。当亚冷液体上升到表面时,会导致温度边界层受到扰动,从而引起凝结。这种凝结效应与接触线附近的蒸发效应相叠加,导致总压力变化显著增加

主要展望

实验设置中,实验容器直径较大,导致自由表面重新定向过程的定居时间超过了实验时间,无法观察到最终的自由表面形态。减小实验容器直径可以缩短定居时间,但同时也会影响其他结果,如自由表面检测、压力变化等。

由于液体氢是完全润湿液体,接触线上升后很快超出了观察区域,无法检测到接触线的最终位置。

通过优化内窥镜位置,第二次实验中可以更好地评估自由表面中心点的位置。

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提出问题：

微重力下液氢的表面动力学过程：

• 液面周期性运动：晃动与重定位
• 相变与自然对流
• 气泡形成与行为

几种物理过程常常相互伴随

在微重力作用下，表面张力对液面的作用不能忽略，因此会形成与常重力场下不同的液面状态。
Bond number（Bo）用于表征重力与表面张力的作用比重。

液面周期性运动

由于惯性，液体会在空间中进行各个方向的振荡反复式运动来进行重定位。在微重力条件下，因表面张力及毛细力的作用不可忽视，故在轨储存液氢的重定位运动行为相较地面储存液氢有所区别。较为常见的两种，一种是无外界干扰下，从常重力状态转变为微重力状态的液面重定位过程；另一种是存在外界干扰下的液面晃动过程。

液面重定位过程（reorientation）or轴向晃动（axial slosh）

液面重定位过程可以看作是简化的晃动过程，只考虑了纵向的液面平移晃动。

在重定位结束后，液面呈现曲率较大的曲线形态，随着重力大小进一步减小，曲率增大，最终液面可以到达容器顶端，并完全将气态包裹其中。

在上气下液组成结构下，越靠近相分界面，速度越大，自然对流增强；
随着重力减小，自然对流进一步增强，传热更加均匀，温度分层减弱。

在壁面过热的情况下，由于与壁面接触的液面部分和中心液面部分存在温差，导致表面张力大小不同，进而产生capillary wave，中心液面和壁面液面存在 的相位差；壁面过热也会导致液面轴向晃动初速度减小、周期变短等现象。

液面晃动过程（slosh）or横向晃动（horizonal slosh）

when , the capillary force is dominant, causing free surface to form elliptical shape, increasing wall-contact height, called slosh.

晃动可以分为三个方向分别进行平移及旋转运动，因此一个三维储罐中的液体晃动最多可看作6个自由度。

When Slosh occurs, for its high wetting amplitude, possibly leading to liquid leakage or other scurity problem, especially in practical mission.

Due to slosh, larger change of field-quantitative could be observed in the area of central bottom of free surface.