浆氢被认为是未来火箭的重要燃料和中子源冷却剂，但是在管道中复杂的固液两相流动机理以及制备技术限制了其应用领域的发展。本文比较了不同制备方法的原理及优劣势，概括了输送中管道压降和传热机理，重点分析浆氢在输送中存在的沉降分层、漏热振荡等应用问题，并探讨了浆氢技术未来的发展的新趋势，以推动浆氢在航天领域的工程化应用。
全球应对气候平均状态随时间的变化的关注与行动持续增加，氢能已经是未来国家能源体系的重要组成部分，浆氢作为低温浆态推进剂凭借其高效的性能优势，成为未来航空航天领域的重要燃料补给。准确了解浆氢的物理性质，掌握低温浆体制备、输送、储存中的特性规律，是浆氢能否大规模应用的前提。
有研究人员指出在相同质量下浆氢对比液氢能增加负荷，并减轻自身的设备重量；在得到理论依照的支撑后，美国航空航天局（NASA）可以大规模制备800加仑的浆氢，并且测试了浆氢的输送和储存特性等，形成了完整的技术链条。学者Sindt研究之后发现在高雷诺数和15%固相分数的情况下，浆氢在16.6mm内径管道中的压降低于液氢，出现压降减损效应；Matsuo发现，14mm内径的加热管段中，浆氮在低雷诺数下的传热性能对比液氮有明显的削弱效应；此外学者Takakoshi研究发现近壁区的颗粒速度明显小于主流区的速度，整体形成抛物线的速度分布情况；Ohira等验证了不同工况下的减损效应。
目前浆氢的技术探讨研究形成了完整的体系，其主要研究方向为浆体制备、浆体密度流量测量和管道输送特性等。本文从浆氢的热物理特性、制备方法、测量技术和流动传热特性等方面综述浆氢技术进展，并提出未来发展的建议。
浆氢相较于饱和状态下的液氢有明显的热力学性能改进。因此浆氢的储存时间比液氢长；相比于液氢的表面张力，浆氢的表面张力略微降低，这有利于提高浆氢的流动性，但同时也会促进输送中气泡的生成和长大。在管道的漏热进入时，热量会优先被固氢颗粒吸收，由此减少液氢吸收的热量，缓解液氢汽化程度。
根据Baik等的研究，使用浆氢作为燃料时，当液氢密度增加8%，液氧密度增加10%时，火箭的总质量能够大大减少约20%；同时使用浆氢可在某些特定的程度上减少排气次数，从而简化排气装置，降低了火箭起飞成本。美国芝加哥科学应用公司设想浆氢可当作核火箭工质。
浆氢的制备需要配合严谨的工艺和精确的测量，得到尺寸适中的固态颗粒，并保持浆体具有一定的流动性。目前的制备方法大致上可以分为抽空法、喷淋法和冷却法。制备完成后有必要进行密度和流量测量以确保浆体合格，主要方法有衰减法、声速法、微波法和电容法。
抽空法是目前制备低温浆体最常见、最直接的方法，其形式分为连续抽空和冻结—融化法。相较于其他方法成本低廉，且能耗比仅为28W/h，适用于小规模实验室的制备需求，但同时冻结—融化法是间歇性抽空，这也导致制备时间周期长，进而影响工业生产的效率；并且抽空法制备的颗粒尺寸普遍较大、形状不规则，若装置存在冷量损失、空气漏热等安全风险隐患问题，浆体的制备效果会促进下降。
喷淋法通过将冷却的液体高速喷射进入真空容器中，使液体迅速膨胀并形成固体颗粒。随后，这些固体颗粒与原液体混合，形成液—固混合物浆体，其装置见图2。
冷却法能实现连续性、大规模生产低温浆体，原理是利用低温流体对液相冷却，然后通过螺旋装置将液相中产生的固态层搅拌形成透明薄板壳状的颗粒，其粒径相较于抽空法更为精细。
冻结—融化法的制备时间比较久，在短时间内无法大批量生产，因此，Waynert提出了一种利用磁制冷与蒸气压缩式制冷循环的理论，提高了制备的效率；同时Kawamura等，通过简易的操作装置实现了浆氮的制备。张春伟等提出双喷射雾化的新型浆氢制备方法，如图3所示，可以在某些特定的程度上避免漏热的发生。谢福寿等提出将氢气在现场微正压液化，接着进行抽真空减压制备浆氢的方案，如图4所示，有很大成效避免了液氢在输运过程中的蒸发问题，提高制备效率。
浆氢中的固态颗粒可以明显影响输送中的流动传热特性，因此，需要精准测量出固相在液相中的质量分数。目前常用的测量技术方法主要有电容法、微波法、γ射线法、光学法和超声波法等。
电容法和微波法因其结构相对比较简单、成本低廉、响应速度快等优点，在测量密度和流量中普遍的使用。其原理是通过物质电容以及介电常数的变化，可以精确测量出两相所占比例。Ellerbruch最早开发出一种多普勒流量计用于固液两相流的测量中，但误差较大，Ohria在原有的基础上安装了开环式电容器，极大的提升了测量的精度。近年来γ射线法作为一种非接触式智能测量技术逐渐应用浆体领域，但容易受到放射性物质的干扰，效果并不理想，要进一步优化技术。
浆氢在制备完成后，一定要通过管道输送至火箭、航天器的储罐中，获得浆氢在管道输送中的流动以及传热特性的研究主要从实验和数值模拟两方面做探讨。
在浆氢输送过程中，固相颗粒在液相中受到多种作用力的影响，导致了固相颗粒在管道横截面上的体积分数和速度分布的不均匀。因此，浆氢在管道中表现出不同流型，不同的流型对应着不同的管道摩擦系数，影响着管输能量损耗的大小。
从微观角度来看，固体颗粒的粒径影响液相的紊流活动，粒径越大，形成不均匀流动的概率越大。实际管道输送中，浆氢在不同流型下的能量损耗差异较大，且固相颗粒粒径较大导致均质流型成条件苛刻。因此，需探究不同工况下浆氢的流型特点和转变规律，建立流型与能耗之间的定量关系，同时优化浆氢制备工艺，依靠电容式、超声波等非接触式方法流型监测技术，实现对浆体流型的实时预测。
在浆氢管道输送中存在湍流减阻效应，在常温浆体的研究中，天然气浆体水合物（NGH）也存在湍流减阻的效应，在乙醇浆体流动压降随固相分数和流速的变化，呈非线性比例，且高流速和低固相分数时压降增长斜率更小，损耗更少。能够准确的看出减阻效应与流速、管径、固体颗粒以及浆体性质有关。
Ohira等研究之后发现，浆氮的传热性能相较于液氮均有所降低，并证明了液相中的颗粒因聚集效果抑制了近壁面的湍流扩散和湍动能，从而削弱了热量向中心区域的扩散，理论上低温浆体输送能够减少与外界的换热量，降低能量损耗。
通过数值模拟可以研究管内流动关键参数对阻力和传热性能的影响，随着流速增加，流型逐渐转变成非均质和均质流，颗粒分布更加均匀，抵消了密度差异带来的沉降效应。
在不同固相分数的流动下，高浓度颗粒聚集抑制了液相的对流传热，减弱了浆氢的传热性能；颗粒直径与管道直径是影响浆体流动和传热的重要的条件；采用小粒径的浆氢能够更有效地防止液氢的汽化，产生更小的压降。
在浆氢输送过程中，漏热会导致浆氢温度上升，严重威胁输送安全和效率。德国宇航中心（DLR）实验发现，当环境和温度升高或管道绝热性能直线下降时，浆氢会出现非常明显的温度分层现象。同时，在低压条件下，输氢管道本身就会发生固/液、气/液的两相分层现象。为了缓解漏热和分层问题，研究人员应优化管道的绝热设计合理采用新型纳米隔热材料，并在管道内布置静态混合器，有效促进浆氢的均质化流动。
浆氢低温推进剂提高了燃料的密度和比冲，在管道中能以更小的压损和热损输送，在航空航天领域有着广阔应用前景，但离大规模应用还有一定的距离，对此提出以下展望：
1）优化制备工艺，抑制固液分层。将冻结—融化技术与大规模氢液化器相结合，并且对传统生产浆氢的氢液化装置改进，可使用超导磁制冷法实现逆卡诺循环达到较高的液化效率。
2）加强输送管道保温，提高系统压力。通过采用高性能气凝胶、纳米等新型隔热材料，采用低热桥支撑、抗对流支撑等先进管道敷设方法，提高管道保温性能，可以显著减少输送过程中的热量损失，抑制液氢汽化，进而抑制漏热引起的流动振荡等问题。输送系统的设计压力应高于浆氢的饱和压力，以确保在输送全过程维持浆氢处于亚稳态，同时设置压力罐、压力泵等补偿装置，进而抑制低压引起的固氢颗粒析出、聚集等问题。
3）完善两相流模型，加强理论分析。浆氢温度极低且颗粒粒径较大，固相颗粒浓度高，并且两相间的作用力与常规浆体存在一定的差异，要建立更完善的数值模型，尤其需要仔细考虑漏热和颗粒破碎凝聚对输送的影响。
作者简介：陈树军，中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，青岛市化石能源高效清洁利用工程研究中心，教授，研究方向为浆氢输送及吸附技术在氢能领域的应用；付越（通信作者），中国石油大学（华东）新能源学院，高级实验师，研究方向为浆氢输送及吸附技术在氢能领域的应用。
论文全文发表于《科技导报》2024年第15期，原标题为《浆氢技术探讨研究进展》，本文有删减，欢迎订阅查看。
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