Structural Design and Thermal Insulation Performance Simulation of Vapor-Cooled Shields for Liquid Hydrogen Storage Tank

Yang Haoze; Liu Le; Zhao Wu; Wang Lei; Li Cui

doi:10.12465/issn.0253-4339.20250506001

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Structural Design and Thermal Insulation Performance Simulation of Vapor-Cooled Shields for Liquid Hydrogen Storage Tank

更新时间：2025-11-10

- Structural Design and Thermal Insulation Performance Simulation of Vapor-Cooled Shields for Liquid Hydrogen Storage Tank
- Journal of Refrigeration Pages: 1-10(2025)
- 作者机构：
  
  1.西安交通大学制冷与低温工程系西安 710049
  2. 西安航天科技工业有限公司西安 710100
  3. 航天推进技术研究院西安 710100
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  the National Key Research and Development Program of China(2024YFB4006904)
- DOI：10.12465/issn.0253-4339.20250506001
  CLC： TK91;TB61⁺1
- CSTR：XXXXX.XX.XXX.20250506001
- Received：06 May 2025，
  
  Revised：2025-05-24，
  
  Accepted：04 June 2025，
  
  Published Online：10 November 2025，
- 稿件说明：
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杨豪泽,刘乐,赵武等.液氢储罐蒸气冷却屏结构设计及绝热性能仿真预示[J].制冷学报,

Yang Haoze,Liu Le,Zhao Wu,et al.Structural Design and Thermal Insulation Performance Simulation of Vapor-Cooled Shields for Liquid Hydrogen Storage Tank[J].Journal of Refrigeration,
杨豪泽,刘乐,赵武等.液氢储罐蒸气冷却屏结构设计及绝热性能仿真预示[J].制冷学报, DOI：10.12465/issn.0253-4339.20250506001. CSTR： XXXXX.XX.XXX.20250506001.

Yang Haoze,Liu Le,Zhao Wu,et al.Structural Design and Thermal Insulation Performance Simulation of Vapor-Cooled Shields for Liquid Hydrogen Storage Tank[J].Journal of Refrigeration, DOI：10.12465/issn.0253-4339.20250506001. CSTR： XXXXX.XX.XXX.20250506001.

摘要

为了精确指导液氢储罐多层绝热（MLI）/蒸气冷却屏（VCS）复合绝热结构设计，建立了MLI/VCS三维稳态传热模型，研究了平行布置和螺旋布置下VCS内温度场及不同VCS管直径、数量、管长、辐射屏厚度、排气流量等对储罐绝热性能的影响规律，对比了2种VCS管布置方式的绝热性能。结果显示：对于VCS管平行布置方案，增加管径、管数和排气流量，储罐绝热性能均相应提高；对于VCS管螺旋布置方案，增加管径和流量也呈现与平行竖管方案相同规律，而管长增加对储罐绝热性能的影响与排气流量有关，辐射屏厚度对绝热性能影响较小，2种VCS管布置方式的绝热性能优劣也受排气流量的影响。实际中需要结合排气方式和排气量选择合适的VCS管布置方式。

Abstract

To provide accurate design guidance for multilayer insulation （MLI） combined with vapor-cooled shield （VCS） structures in liquid hydrogen storage tanks， a three-dimensional steady-state MLI/VCS model was established. The temperature distribution within the VCS was analyzed for parallel and spiral arrangements. The effects of VCS tube diameter， number， length， radiation shield thickness， and vapor mass flow rate on the thermal insulation performance of the tank were systematically investigated. Comparative analysis of the thermal insulation performances of the two arrangements was conducted. The results show that for the parallel arrangement， increasing the tube diameter， number of tubes， and mass flow rate improved the insulation performance of the tank. For the spiral arrangement， increasing the tube diameter and flow rate achieved the same effects as those observed for the parallel arrangement. However， the effect of tube length on insulation performance depends on the vapor mass flow rate. Radiation shield thickness had a minor impact on insulation performance. The relative superiority of the two VCS pipe configurations in terms of insulation performance is influenced by the venting vapor mass flow rate. An appropriate VCS pipe arrangement should be selected for practical engineering applications， based on the venting method and capacity.

关键词

Keywords

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PLACHTA D W ， JOHNSON W L ， FELLER J R . Zero boil-off system testing ［J］. Cryogenics ， 2016 ， 74 ： 88 - 94 .

JOHNSON W L ， HAUSER D M ， PLACHTA D W ， et al . Comparison of oxygen liquefaction methods for use on the Martian surface ［J］. Cryogenics ， 2018 ， 90 ： 60 - 69 .

王磊，厉彦忠，张少华，等 . 低温推进剂空间管理技术研究进展与展望［J］. 宇航学报， 2020 ， 41 （ 7 ）： 978 - 988 .

WANG Lei ， LI Yanzhong ， ZHANG Shaohua ， et al . Research progress and outlooks of cryogenic propellant space management technologies ［J］. Journal of Astronautics ， 2020 ， 41 （ 7 ）： 978 - 988 .

KRISHNAPRAKAS C K ， BADARI NARAYANA K ， DUTTA P . Heat transfer correlations for multilayer insulation systems ［J］. Cryogenics ， 2000 ， 40 （ 7 ）： 431 - 435 .

JACOB S ， KASTHURIRENGAN S ， KARUNANITHI R . Investigations into the thermal performance of multilayer insulation （300-77 K） Part 1： calorimetric studies ［J］. Cryogenics ， 1992 ， 32 （ 12 ）： 1137 - 1146 .

SUTHEESH P M ， CHOLLACKAL A . Thermal performance of multilayer insulation： a review ［C］// IOP Conference Series： Materials Science and Engineering . IOP Publishing ， 2018 ， 396 ： 012061 .

ZHENG Jianpeng ， CHEN Liubiao ， CUI Chen ， et al . Experimental study on composite insulation system of spray on foam insulation and variable density multilayer insulation ［J］. Applied Thermal Engineering ， 2018 ， 130 ： 161 - 168 .

HASHMI A R ， WANG Haoren ， JI Ruyi ， et al . Experimental and theoretical study on the optimal placement of reflective shield in multilayer insulation systems ［J］. International Journal of Refrigeration ， 2025 ， 175 ： 196 - 209 .

JOHNSON W L . Thermal analysis of low layer density multilayer insulation test results ［C］// Advances in Cryogenic Engineering： Transactions of the Cryogenic Engineering Conference . Spokane， Washington， USA ， 2011 .

HASTINGS L J ， HEDAYAT A ， Brown T M . Analytical modeling and test correlation of variable density multilayer insulation for cryogenic storage ［R］. NASA-213175， 2004 .

朱浩唯，黄永华，许奕辉，等 . 变密度多层绝热的理论分析［J］. 低温工程， 2011 （ 6 ）： 42 - 46 .

ZHU Haowei ， HUANG Yonghua ， XU Yihui ， et al . Performance optimization and analysis of variable density multilayer insulation ［J］. Cryogenics ， 2011 （ 6 ）： 42 - 46 .

许张良，谭宏博，吴昊 . 变密度多层低温绝热结构的性能比较与分析［J］. 工程热物理学报， 2023 ， 44 （ 5 ）： 1357 - 1365 .

XU Zhangliang ， TAN Hongbo ， WU Hao . Comparative study on the thermal insulation performance of different variable density multi-layer insulation structures ［J］. Journal of Engineering Thermophysics ， 2023 ， 44 （ 5 ）： 1357 - 1365 .

WANG B ， HUANG Y H ， LI P ， et al . Optimization of variable density multilayer insulation for cryogenic application and experimental validation ［J］. Cryogenics ， 2016 ， 80 ： 154 - 163 .

余建榕，张强，康慧芳，等 . 低温推进剂贮箱气冷屏复合绝热结构综合优化设计［J］. 真空与低温， 2021 ， 27 （ 2 ）： 165 - 170 .

YU Jianrong ， ZHANG Qiang ， KANG Huifang ， et al . Comprehensive optimization design of VCS composite thermal insulation structure for cryogenic propellant tank ［J］. Vacuum and Cryogenics ， 2021 ， 27 （ 2 ）： 165 - 170 .

DYE S ， KOPELOVE A ， MILLS G L . Integrated and load responsive multilayer insulation ［J］. AIP Conference Proceedings ， 2010 ， 1218 （ 1 ）： 946 .

MARTIN J J ， HASTINGS L . Large-scale liquid hydrogen testing of variable density multilayer insulation with a foam substrate ［R］. NASA-211089， 2001 .

吴昊，谭宏博，许张良 . 高真空多层绝热结构层间压力反演［J］. 真空与低温， 2023 ， 29 （ 2 ）： 121 - 128 .

WU Hao ， TAN Hongbo ， XU Zhangliang . Inverse identification of the residual gas pressure distribution in high vacuum multi-layer insulation ［J］. Vacuum and Cryogenics ， 2023 ， 29 （ 2 ）： 121 - 128 .

SCOTT R B . Thermal design of large storage vessels for liquid hydrogen and helium ［J］. Journal of Research of the National Bureau of Standards ， 1957 ， 58 （ 6 ）： 317 .

ZHENG Jianpeng ， CHEN Liubiao ， WANG Jue ， et al . Thermodynamic modelling and optimization of self-evaporation vapor cooled shield for liquid hydrogen storage tank ［J］. Energy Conversion and Management ， 2019 ， 184 ： 74 - 82 .

SHI Chaoyue ， ZHU Shaolong ， WAN Chuancong ， et al . Performance analysis of vapor-cooled shield insulation integrated with para-ortho hydrogen conversion for liquid hydrogen tanks ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2023 ， 48 （ 8 ）： 3078 - 3090 .

KIM S Y ， KANG B H . Thermal design analysis of a liquid hydrogen vessel ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2000 ， 25 （ 2 ）： 133 - 141 .

黄奕宁，王磊，马原，等 . 多层材料/气冷屏传热二维模型与绝热性能［J］. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2024 ， 52 （ 7 ）： 119 - 125 .

HUANG Yining ， WANG Lei ， MA Yuan ， et al . Two-dimensional modeling and thermal insulation performance of multilayer insulation/vapor-cooled shield ［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2024 ， 52 （ 7 ）： 119 - 125 .

孟垂举，张亮，黄永华 . 蒸气冷却屏内仲-正氢转化释冷效应分析［J］. 真空与低温， 2022 ， 28 （ 3 ）： 279 - 284 .

MENG Chuiju ， ZHANG Liang ， HUANG Yonghua . Analysis of cooling effect of Para-ortho hydrogen conversion in vapor cooling shield ［J］. Vacuum and Cryogenics ， 2022 ， 28 （ 3 ）： 279 - 284 .

蒋文兵，胡聪，孙培杰，等 . 蓄冷能力对液氢贮箱蒸气冷却屏瞬态特性的影响［J］. 工程热物理学报， 2023 ， 44 （ 5 ）： 1161 - 1168 .

JIANG Wenbing ， HU Cong ， SUN Peijie ， et al . Effect of cooling storage capacity on the transient characteristics of the vapor cooled shield for liquid hydrogen storage tank ［J］. Journal of Engineering Thermophysics ， 2023 ， 44 （ 5 ）： 1161 - 1168 .

JIANG W B ， ZUO Z Q ， HUANG Y H ， et al . Analysis on thermal design concern of vapor cooled shield for cryogenic tanks ［C］// ASME 2019 Heat Transfer Summer Conference Collocated with the ASME 2019 13th International Conference on Energy Sustainability . Bellevue， Washington， USA . 2019

赵拓，陈叔平，李延娜，等 . 气冷屏复合绝热结构传热分析及屏位优化［J］. 低温与超导， 2016 ， 44 （ 5 ）： 17 - 22 .

ZHAO Tuo ， CHEN Shuping ， LI Yanna ， et al . Heat transfer analysis of vapor cooled shield compounded insulation and optimization of shield's position ［J］. Cryogenics & Superconductivity ， 2016 ， 44 （ 5 ）： 17 - 22 .

梁佳佳，李翠，马原，等 . 在轨环境液氢贮箱高效复合绝热方案性能研究［J］. 化工学报， 2024 ， 75 （ 12 ）： 4749 - 4760 .

LIANG Jiajia ， LI Cui ， MA Yuan ， et al . Research on the performance of high-efficiency composite insulation scheme for liquid hydrogen tank in orbit environment ［J］. CIESC Journal ， 2024 ， 75 （ 12 ）： 4749 - 4760 .

李科，谢昊琳，冯莉，等 . 液氢储罐真空多层绝热结构的连续变密度优化及性能分析［J］. 西安交通大学学报， 2025 ， 59 （ 3 ）： 57 - 66 .

LI Ke ， XIE Haolin ， FENG Li ， et al . Continuous variable density optimization and performance analysis of vacuum multilayer insulation structure in liquid hydrogen tanks ［J］. Journal of Xi'an Jiaotong University ， 2025 ， 59 （ 3 ）： 57 - 66 .

HUANG Yonghua ， WANG Bin ， ZHOU Shaohua ， et al . Modeling and experimental study on combination of foam and variable density multilayer insulation for cryogen storage ［J］. Energy ， 2017 ， 123 ： 487 - 498 .

MENG Chuiju ， QIN Xujin ， JIANG Wenbing ， et al . Cooling effect analysis on para-ortho hydrogen conversion coupled in vapor-cooled shield ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2023 ， 48 （ 41 ）： 15600 - 15611 .

JIANG W B ， ZUO Z Q ， HUANG Y H ， et al . Coupling optimization of composite insulation and vapor-cooled shield for on-orbit cryogenic storage tank ［J］. Cryogenics ， 2018 ， 96 ： 90 - 98 .

ZHU X Y ， LEE J H ， KIM K H ， et al . Coupled CFD modeling and thermal analysis of multi-layered insulation structures in liquid hydrogen storage tanks for various vapor-cooled shields ［J］. Case Studies in Thermal Engineering ， 2024 ， 63 ： 105317 .

陈国邦，张鹏 . 低温绝热与传热技术［M］. 北京：科学出版社， 2004 ： 70 - 71 .

CHEN Guobang ， ZHANG Peng . Low temperature insulation and heat transfer technology ［M］. Beijing ： Science Press ， 2004 ： 70 - 71 .

LINSTORM P . NIST chemistry webbook， NIST standard reference database number 69 ［J］. Journal of Physical and Chemical Reference Data ， 1998 ， 9 ： 1 - 1951 .

JIANG Wenbing ， YANG Yilun ， HU Cong ， et al . Experimental study on composite insulation with foam， multilayer and vapor cooled shield for cryogen storage under different vacuum conditions ［J］. Cryogenics ， 2023 ， 129 ： 103604 .

ZHENG Jianpeng ， CHEN Liubiao ， WANG Jue ， et al . Thermodynamic analysis and comparison of four insulation schemes for liquid hydrogen storage tank ［J］. Energy Conversion and Management ， 2019 ， 186 ： 526 - 534 .

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