超临界压力RP-3在竖直细圆管内混合对流研究

研究了超临界压力下碳氢燃料航空煤油RP-3在竖直细圆管内混合对流,分析了浮升力及热物性对碳氢燃料在垂直管中对流换热的影响。实验中控制热流密度从200~500 kW/m2变化,进口压力变化范围为3~5 MPa,进口雷诺数从5 000~10 500范围内变化。研究表明:在向上流动情况中进口段存在较为明显的入口效应,换热出现恶化现象,而在向下流动中未出现;对于向上和向下流动,由于热物性的综合影响,换热系数沿流动方向增大;在较低进口雷诺数(Re=5 700)时,对于向下流动,随着浮升力影响的增大,浮升力改变了流体径向速度分布,出现了换热强化;在较高进口雷诺数(Re=10 500)时,浮升力对换热的影响依然显著;判别式Bo*数小于5.6×10-7未能预测浮升力对碳氢燃料换热影响。      

振动表面自然对流强化换热特性

基于振动影响流动换热边界层发展的思路,通过实验方法对振动条件下的自然对流换热特性进行研究.实验采用电铃谐振器作为加热膜的激振源,并利用红外测温技术对表面温度场进行了测量.结果表明:振动对自然对流的强化可提高90.7%.在等热流密度条件下,振动能量越大,换热越好;在等振动能量条件下,热流密度越小,换热越强.研究结果为强化表面自然对流换热提供了一种新思路.      

临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。      

粘性流体换热问题用直角坐标网格的贴体解法

采用直角坐标网格但通过在边界附近保留不规则控制体的非结构化直角坐标网格方法求解粘性不可压流体流动和换热问题.在边界附近切割单元的求解采用常规的方法处理,而不采用插值方法处理,并在同位网格上对控制方程组进行离散.因而该算法是贴体的,并可适用于解决复杂边界流动换热问题.通过对同轴环行空间和二维倾斜空腔内的对流换热问题的计算对该数值方法在传热问题中的应用进行验证.对比结果表明,计算结果与精确解和STAR-CD的结果在一定Re数和网格数时是很接近的,可以满足一定的精度要求,说明该数值计算方法可用于传热问题.      

火星表面热环境对航天器热控影响分析

火星大气对太阳辐射产生吸收和散射作用，同时还将与火星表面航天器发生对流换热。热设计时难以直接评估对流、辐射和导热三种换热对航天器的影响，从而确定主要的控温途径。在调研火星表面辐射、大气等热环境的基础上，从线性化传热系数和对流辐射比的角度对比分析了辐射、对流和导热对航天器的影响。器表辐射传热系数随光学属性和温度的变化范围为0.3～1.4W/(m2·℃)，对流传热系数随风速变化为0.2～1.5W/(m2·℃)，器内导热传热系数可控制在0.25W/(m2·℃)以下。结果表明，太阳辐射较火星表面和天空辐射而言是主要外热源，航天器表面的辐射和对流换热为两条并联换热途径，两者均可成为主要换热途径，器内导热传热是控制航天器内外隔热的主要可控因素。     

层板内冷通道辐射换热影响

分析了层板换热过程,使用了"去除复杂表面"和"无限大平板" 等假设,给出了该假设下层板内腔辐射换热计算公式.又以一特定几何结构的层板模型为例,使用了3维流体力学计算程序求解了流-固耦合情况下的层板内部换热过程,研究了其在4种航空发动机典型工作状态下,内冷通道中的对流和辐射换热情况,得到了辐射与对流换热强度之比θ随冷气入口Re数和燃气加热功率的变化曲线,并对该曲线进行了指数拟合.建立了一套快速简捷计算层板内腔辐射状况的方法,为层板内腔换热研究是否应该忽略辐射,以及对层板冷却效果的修正,提供了一定的判断和计算依据.      

自然对流对相变材料熔化过程的影响分析

为分析自然对流对相变材料熔化过程的影响,建立了二维瞬态、固/液相统一的控制方程,采用SIMPLE算法对底部加热、顶部冷却的方腔内相变材料熔化过程进行了数值仿真,研究了方腔内温度场和速度场随时间变化规律,结果表明:自然对流使液相区等效导热系数增大;随着固液界面向上移动,液相区自然对流逐渐增强,流动状态不断变化.     

环形浅液池内低Prandtl数流体超临界热毛细对流演化

为研究低Prandtl数（Pr）流体热毛细对流演化过程，对环形浅液池内Pr=0.011的流体热毛细对流进行三维数值模拟.研究发现:当Marangoni数较小时，流动为轴对称稳态流动；当Marangoni数超过某一临界值后，流动失稳并转变为热流体波，其波数随Marangoni数增加而减小，而波动主频增大；随着Marangoni数增加，流动加强，沿周向运动的热流体波演变为沿径向运动的径向波，其波数大大减小；当Marangoni数继续增加时，波动频谱曲线噪声增加，呈广谱特性.因此，在计算范围内热毛细对流的演化过程为:轴对称稳态流动-热流体波-单周期径向波-多周期三维振荡流动.      

微重力下两相控温型储液器内气液界面仿真分析

两相控温型储液器对机械泵驱动两相流体回路的稳定运行起到关键作用,而储液器内部气液分布状态是其控温性能的决定性因素之一。在轨微重力条件下,储液器内两相流动特性与地面状态差别巨大,这将给储液器的设计带来较大难度。针对两相控温型储液器在轨微重力下的两相工质分布特性,通过计算流体力学（CFD）方法对其内两相流动行为进行数值模拟。通过使用连续表面张力模型计算表面张力,使用多相流计算的流体体积分数方法对两相控温型储液器内气液界面形态的发展进行了追踪预测,并与理论解进行对比,结果吻合一致。通过对两相控温型储液器在不同Bond数、接触角、工质充灌量等参数下的仿真分析,得到了不同条件下储液器内气液运动及分布情况,结果表明:两相控温型储液器内气液界面状态与储液器尺寸、壁面浸润性、工质充灌量相关。研究结果可以为微重力下两相控温型储液器内气液界面的控制提供理论依据,并能指导储液器研制及在轨应用。      

矩形微槽内FC-72的单相流动和换热实验研究

微槽换热器是解决航空电子设备元器件热控制问题的一条有效途径.以新型电子设备冷却液FC-72为工质,利用4种不同结构尺寸的矩形微槽,进行了微槽内单相流动和强迫对流换热性能实验研究;分析了工质流速、过冷度以及微槽结构等对换热性能的影响,给出了适用于层流和紊流的单相流动阻力特性实验关联式和单相强迫对流换热实验关联式,并对实验结果进行了不确定度分析.结果表明,在矩形微槽换热器中,FC-72的单相强迫对流换热能力能够满足中高强度的电子设备散热要求.      

太阳风局部加速的磁流体力学过渡特征

本文讨论了轴对称磁力线管中太阳风从亚声速和亚阿尔文速度加速到超声速和超阿尔文速度的过程。考虑到流动和场的二维效应以后,除去临界声速线M2=1以外,还有临界阿尔文速线M_A2=1和M2+M_A2=1。这时,磁力线管中存在三次过渡,使磁流体力学方程组的类型从椭圆型变为双曲型,再变为椭圆型,最后变为双曲型。由于日冕中的典型声速和阿尔文速度具有相同的量级,而且人们对磁力线管的急剧膨胀很有兴趣,这就需要讨论二维磁流体力学方程组的自(冫合)解。太阳风的局部流管中有可能出现多次过渡的流动特征。      

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

较小尺度磁螺旋线管相互作用的数值研究

在子午面内,偶极子场和六极子场适当叠加得到势磁场,势磁场与太阳风长时间相瓦作用得到特殊的冕流背景结构.在这种背景结构下,两个较小尺度的磁螺旋线管模型能够连续浮入到计算域,在计算域内相互作用,触发了日冕物质抛射(CME).在数值模拟这一过程时,较小尺度的磁螺旋线管模型具有同心圆形磁场结构,模型中心等离子压强与边界压强之比m=2,模型的半径分别取为a=0.07 R.和a=0.1 Rs(Rs为太阳半径).在这两种情况下,得到了两种典型的计算结果.当a=0.07 Rs时,两个磁螺旋线管模型相瓦作用,在7 Rs内融合成一个磁螺旋线管模型,向外传播;当a=0.1 Rs时,两个磁螺旋线管模型相互作用,作为一个整体向外传播,在计算域内没有融合到一起,基本上保持各自的磁场结构.      

VELOCITY FIELD OF THERMOCAPILLARY CONVECTION IN HIGH-TEMPERATURE OXIDE SOLUTION

We have investigated experimentally and theoretically the thermocapillary convec tive flow phenomena in a loop-shaped Pt wire heater of KNbO3 (20wt.%) and Li2B4O7 solutions. Optical evaluations in connection with thermocouple measure ments made it possible to get a new type of thermocapillary convective flow in the considered system. To study the kinematical behaviour of thermocapillary convec tion, we have measured the stream flow velocities. In a theoretical analysis, the flow velocity due to the thermocapillary effect alone was estimated by balancing the sur face tension forces by viscous forces. The velocity distribution in the solution near the margin of the heater was obtained, which is in agreement with the experimental result.     

热电致冷器和毛细泵驱动的小型热公用回路

适合卫星应用的小型热公用回路,可以实现发热设备在星内立体布局,摆脱对散热面的依赖,使卫星的集成度提高,满足大型有效载荷按功能集成后的散热需要。用毛细泵代替机械泵,可以实现无运动部件的高可靠、长寿命、适合卫星应用的小型两相热公用回路。该回路需要对毛细泵主动加热促使工质流动,需要消耗一定的功率。如何降低毛细泵的功耗,是毛细泵驱动的热公用回路实用化的关键。理论和实验证明,热电致冷器在小温差下有较高的热泵系数,用热电致冷器加热毛细泵比直接电加热更经济。     

NUMERICAL MODELLING OF VELOCITY AND TEMPERATURE DISTRIBUTIONS OF THE BUOYANCY CONVECTION EFFECT IN KNbO3 MELT

Numerical modelling of velocity and temperature fields in high-temperature KNbO3 melt of a loop-shaped Pt wire heater is carried out by using the commercial com putational code ANSYS for the mathematical solution of the governing equations.Based on the experimental boundary conditions and the Boussinesq approximation,the numerical modelling of a steady and two-dimensional model is applied to study the process under consideration of the buoyancy-driven convection condition. The result is compared with the previous experimental and theoretical data obtained in our laboratory, and the former is in agreement with the latter. Thus a theoretical guide for reasonable growth conditions is provided by studying in depth the real fluid flow effects in the crystal growth from the melt.     

太阳大气中有限振幅磁场扰动的动力学过程

本文从完整的磁流体动力学方程组出发,通过太阳大气中磁力线管根部有限振幅磁场的扰动,研究了非线性磁场的动力学演化。假设初始磁场位形足β<<1的势场,根部磁力线管磁场扰动,驱动等离子体运动,一部分磁能转换为等离子体动能。等离子体压缩运动具有快磁声波的特性。计算结果给出非线性磁场演化的定量关系,可以解释太阳大气中日冕活动过程。也可用于模拟实验室里高β实验装置中的等离子体的持性。      

失重飞机搭载气 /液两相流实验研究

利用俄罗斯IL-76MDK失重飞机对失重条件下方形截面(12mm×12mm)管道内气/液两相流动进行了实验研究,观测到失重条件下气/液两相泡状流、弹状流和环状流等三种主要流型,同时得到了气、液两相介质的流量、温度和实验段内压力等结果,分析了失重条件下方形截面管道内气/液两相流型转换的条件.      

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

开放空腔壳体入水流场结构及流体动力特征研究

基于混合介质雷诺平均Navier-Stokes方程,对开放空腔壳体垂直入水运动过程开展了数值研究,得到了压力场、速度场分布,空泡波动、闭合特征,空腔气体涨缩规律,以及流体动力变化规律,并分析了空腔结构在入水运动过程中对流场结构和流体动力的影响。结果表明:液体随气体涨缩同步进出开放端;开放端局部形成波动的压力源和周期性的压力场、速度场分布;入水空泡呈现波动形态,其扩展程度与开放端液体流速相关;空泡内形成气体漩涡,随空腔涨缩往返进出空泡,对空泡闭合具有抑制作用;流体动力呈波动变化规律,频率与气体涨缩频率一致,幅值与气体涨缩程度成正比。开放空腔结构在入水过程中空腔内气体发生涨缩运动,对流场结构和流体动力产生周期性扰动作用,在一定程度上可以减缓冲击、维持空泡及运动的稳定性。