孔隙分布对陶瓷材料热辐射特性的影响

通过引入吸收性介质内粒子散射Mie理论,结合多弥散粒子系独立散射理论,针对孔隙具有修正Gamma分布规律的多孔陶瓷提出一种计算热辐射特性的方法,以氧化锆陶瓷为例分析了孔隙分布对热辐射特性的影响.结果表明孔隙分布规律和平均孔径对热辐射特性有显著影响.孔径趋于单弥散分布,将使衰减系数、散射反照率、非对称因子等参数减小,而孔...     

SiC作为纳米SiO2多孔绝热材料红外遮光剂的试验研究

中高温环境下纳米SiO2多孔绝热材料对红外热辐射近于透明,而导致其绝热性能变差.针对这一问题,将SiC微粉作为红外遮光剂引入绝热材料中,测定了不同粒度和掺加量试样的有效消光系数.结果发现,在波长为2.5～7.0μm红外辐射波段,SiC微粉的引入能使材料有效消光系数大幅提高.无遮光剂试样的有效消光系数为1.9～12.6 m2/kg,而加入质量分数25%中位粒径3.029μm的SiC微粉(SiC03)后,试样有效消光系数达到52.7～58.8 m2/kg.背温试验结果证明了纳米SiO2多孔绝热材料中引入SiC后,其隔热性能得到明显改善.     

纳米孔隔热材料等效热导率的计算

通过文献调研,分别讨论了纳米孔高效隔热材料在微米尺度和纳米尺度下气体导热,纳米尺度孔结构气固耦合等效热导率,添加遮光剂颗粒的气凝胶复合等效热导率和高温辐射等效热导率的计算方法.在此基础上,调研了用于计算流固耦合等效热导率计算的几种典型理想结构,结合对纳米孔高效隔热材料等效热导率有影响的各种因素及微米理想结构,采用热阻串并联的分析方法,可以计算纳米孔高效隔热材料的等效热导率.     

微米尺度结构特征对纳米材料热导率的影响

构建了包含纤维和遮光剂等功能添加物以及裂缝等非均匀结构的理想结构单元,采用等效电路的分析方法,计算了复合型隔热材料的等效热导率.通过参数计算分析,讨论了纤维和遮光剂等功能添加物以及裂缝等非均匀结构对纳米孔高效隔热材料隔热性能的影响规律.计算结果表明,纤维和遮光剂颗粒的添加,提高了材料的固相热导率,但由于遮光荆颗粒能够有效的抑制材料的高温辐射,故存在最佳的添加比率(本文为30%);纤维的排布方向以及裂缝的大小,均对材料的隔热性能有较大的影响.     

气凝胶中遮光剂的辐射特性计算及优化设计

以TiO2 微米颗粒为例,计算了不同形状遮光剂颗粒的光学特性,表征形状、尺寸对颗粒光学特性
的影响,并考虑实际遮光剂颗粒的粒径分布,计算了不同形状颗粒的平均光学特性。为满足工程需要,针对球
形遮光剂,给出了粒径服从对数正态分布律时使材料高温下辐射热导率最小的遮光剂参数优化设计,由此可使
1 300 K 下遮光气凝胶的辐射热导率降低至纯气凝胶的1/10 左右。     

多层高温隔热结构的传热特性

建立了高温多层隔热结构传热计算模型,采用蒙特卡罗方法模拟每个半透明隔热材料层内的一维辐射传递,采用有限体积法对多层隔热结构辐射导热耦合换热能量方程进行求解,对多层隔热结构的瞬态传热及热响应进行了数值模拟分析,研究了反射屏个数等因素的影响.结果表明,反射屏对多层结构隔热性能的影响取决于隔热材料的辐射特性与导热性能,当隔热材料衰减系数小时,将屏布置于高温区可提高隔热性能,当衰减系数大时,反射屏布置在低温区进行蓄热则更加有利.     

多层反射纳米隔热材料的制备及性能研究

制备了超薄纳米隔热材料和高反射金属箔,并组合成多层反射纳米隔热材料.结果表明:制备的超薄纳米隔热材料表面平整、厚度小于0.5 mm,材料的孔和粒径为纳米尺度;制备的金属膜结构紧密,厚度满足设计要求,在中心波长附近平均反射率高于95%.典型多层反射纳米隔热材料室温热导率为16 mW/(m·K).     

高效隔热材料结构与性能研究

以陶瓷隔热瓦和纳米隔热材料为研究对象,揭示了高效隔热材料结构与性能的关系.研究结果表明:随着密度的增加,隔热材料室温热导率和力学性能随之增加;陶瓷隔热瓦平面方向和厚度方向的结构和性能存在明显差异;复合纳米结构后,材料的隔热性能明显提高;室温热导率从43 mW/(m·K)降低至36 mW/(m·K);添加少量功能添加物后,材料的高温隔热性能进一步提高,高温考核中背面温度从668℃降低到576℃.同时介电常数从2.2％增加到6.6％;通过气相超临界工艺在材料表面接枝有机基团,材料表面疏水状态发生显著变化,材料具备了防水和低吸潮的特性.     

锆英石对纳米SiO2多孔绝热材料绝热性能的影响

降低红外辐射传热是解决纳米SiO2多孔绝热材料高温绝热性能差的关键。本文探讨了锆英石作为红外遮光剂对纳米SiO2多孔绝热材料绝热性能的影响。结果表明:微米级锆英石的引入,可大幅降低红外辐射传热,显著提高材料高温绝热性能,当掺加35%锆英石时,可将材料500℃时热导率从0.119W/(m·K)降低至0.053W/(m·K)。同时对锆英石的红外遮光机理进行了探讨和分析。     

考虑气体扩散渗透的隔热材料瞬态隔热性能数值模拟

高超声速飞行器机动飞行时环境压力变化导致隔热材料沿厚度方向存在压力梯度,进而引起隔
热材料内气体的扩散渗透,影响隔热材料隔热性能。为研究气体扩散渗透对隔热材料隔热性能的影响,建立了
隔热材料内气体扩散渗透模型,采用罗斯兰德近似、有限体积法建立了隔热材料内扩散渗透及辐射导热传热计
算模型,对气体扩散渗透条件下的瞬态隔热性能进行了数值模拟。算例模拟结果表明:对2 cm 厚纳米隔热材
料,在外界气压为0. 1 MPa,绝热面为真空的状况下,当渗透率大于10-14 m2 时,气体扩散渗透开始影响隔热材
料内传热,导致隔热性能降低,气体黏性系数对气体扩散渗透有显著影响,随着黏性系数降低,气体扩散渗流现
象显著;衰减系数对绝热面温度响应有显著影响,随着衰减系数增大,绝热面温度响应显著降低。     

气动加热下光学窗口传热特性的数值模拟

针对气动加热条件下光学窗口辐射导热耦合传热开展研究,以了解光学窗口的热辐射发射规律及热防护性能。采用有限体积法、蒙特卡罗法、谱带模型建立了具有镜反射界面的光学窗口辐射传输及辐射导热耦合传热计算模型,对具有两层SiO2玻璃的光学窗口传热特性进行了模拟。结果表明处于高温区玻璃向外发射热辐射,低温区玻璃吸收热辐射;除了加热面附近外的玻璃区域,辐射热流密度远大于导热热流密度,在2.9～4.2μm谱带内的辐射热流密度大于0.4～2.9μm谱带内的;在0.4～2.9μm谱带内,可见光波长内的出射辐射热流密度最小,中红外波长范围内出射辐射热流密度最大。在光学窗口总厚度一定的情况下,降低玻璃层厚度和玻璃夹层气体热导率能够有效降低光学窗口非加热面稳态温度。     

高温下加热/冷却管内参与性介质的辐射与对流耦合换热研究

本文通过数值模拟方法研究了高温下加热/冷却管内层流充分发展流动的参与性介质热起始段的辐射与对流耦合换热。采用离散坐标法求解圆柱坐标系下的非线性积分微分辐射传递方程,采用有限差分法求解辐射与对流的耦合换热能量方程。通过计算,分析了不同壁温及入口温度下,介质导热系数、壁面发射率、介质散射反照率及散射相函数等因素对局部努谢尔数、壁面热流密度及有效加热/冷却长度的影响,并同时采用努谢尔数和壁面热流密度评价了耦合换热中辐射对对流换热的影响。      

涡轮发动机高温隔热涂层内的传热研究

高温环境中的金属部件, 通常采用表面涂层技术以降低金属材料的温度和热力梯度。氧化锆、陶瓷等涂层材料对热辐射是半透明的, 因此, 高温下涡轮发动机的热分析需要考虑涂层内辐射换热的影响。本文考虑了各种界面辐射特性: 不透明界面和半透明界面, 镜反射和漫反射。采用光线踪迹 /节点分析法计算了吸收、各向同性散射性介质内的辐射传递系数。结合控制容积法数值模拟了涡轮叶片和燃烧室衬垫涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热。      

Numerical simulation of the infrared radiative signatures of liquid and solid rocket plumes

In this paper, a finite volume method was developed to compute the infrared radiative signatures of both liquid and solid rocket plumes, and to investigate the radiative signatures on two wavebands, 2–6 and 8–12 μm bands, respectively. This method is based on the radiative transport equation for local thermodynamic equilibrium, which accounts for radiative heat transfer in inhomogeneous emitting, absorbing, and non-isotropic scattering media. The radiative properties of combustion gases are computed by using the Elsasser narrow band model, and that of particles are computed by using the Mie scattering theory. A numerical method is applied to solve the following three problems. The first one is the computation of the radiative heat transfer in an absorbing, emitting and isotropic scattering homogeneous cylindrical medium in which the radiative flux is presented. The other two are the computations of the infrared radiation of plumes from the liquid and solid rockets in which both the source and apparent radiant intensities are presented as results. The atmospheric absorption effect on the radiation of plumes is also considered by calculating the atmospheric transmittance using MODTRAN. Some of these results, compared with those available in the literature, have shown satisfactory agreement in most cases.     

Effects of Contact Resistance on Heat Transfer Behaviors of Fibrous Insulation

In this article, a numerical model combining conduction and radiation is developed based on two flux approximation to predict the heat transfer behavior of fibrous insulation used in thermal protection systems. Monte Carlo method is utilized to determine the modified radiative properties with experimentally measured transient external temperature as high as 1 000 K. It is found that the estimated radiative properties become time-independent after about t = 3 000 s. By comparing the predicted to the measured results in transient state, the contact resistance exerts significant influences upon the temperature distribution in the specimen. Results show that the averaged absolute deviation is 3.25% when contact resistance is neglected in heat transfer model, while 1.82% with no contact resistance.     

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义,相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题,利用多尺度渐进分析方法,对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型,获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系,发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法,建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性,结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

Radiative properties of alumina/aluminum particles and influence on radiative heat transfer in solid rocket motor

The thermal radiation of micron-sized condensed phase particles plays a dominant role during the heat transfer process in aluminized Solid Rocket Motors（SRMs）. Open research mainly focuses on the radiative properties of alumina particles while the study considering the presence of aluminum is lacking. In addition, the thermal radiation inside the SRM with consideration of the participating particles is seldom studied. In this work, the multiscale method of predicting the thermal environment insi...     

Planetary Radiation Budgets

The energy state of a planet depends fundamentally on its radiation budget. Measurements made from space over past decades have led to significant revisions of ground-based estimates, both of the reflected fraction (the Bond albedo) of solar radiative flux and of the emitted thermal infrared radiation flux, for the Earth as well as for the other planets. After a brief survey of methods and difficulties in accurately determining planetary radiation budgets, we note contradictions in existing tabulations of global parameters, in particular Bond albedo. For the Earth, such contradictions are unjustified, considering that global and annual means as well as the seasonal cycle of Earth Radiation Budget components have now been determined with high accuracy. The Earth's Bond albedo is close to 0.3. Net storage of energy in the Earth-ocean system is close to zero, with a well-established annual cycle of amplitude close to ±12 Wm⁻². Some contradictions remain for the other terrestrial planets. For the giant planets, modern reduced values of the Bond albedo imply reduced but still significant internal energy generation.     

碳纤维增强树脂基摩擦材料摩擦磨损性能

为提高树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性,改善其抗热衰退性能。以碳纤维作为增强纤维,采用热压成型工艺制备碳纤维增强树脂基摩擦材料;用XD-MSM型定速摩擦试验机测定摩擦磨损性能,研究了不同含量碳纤维增强对树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响;利用VK-X200三维激光扫描显微镜观察了摩擦材料磨损后表面的微观形貌并探讨其磨损机理。结果表明,碳纤维增强树脂基摩擦材料的硬度、压缩强度和剪切强度均得到提高,并随碳纤维含量的增加而逐渐增大;碳纤维增强作用提高了树脂基摩擦材料的耐磨性和摩擦因数的稳定性,改变了树脂基摩擦材料的摩擦磨损形式;碳纤维含量为4wt%的增强树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性较高,抗热衰退性能较好,磨损机制主要为疲劳磨损。