V型皱褶芯材夹层结构强迫对流传热与热应力分析

V型皱褶芯材夹层结构与强迫对流冷却相结合,可应用于高超声速飞行器或大功率电子器件承载和散热的多功能设计。文章采用数值仿真方法对强迫对流条件下V型皱褶芯材夹层结构的换热及其产生的热应力进行研究,获得了相应的速度场、温度场及结构热应力分布。结果表明:强迫对流条件下,V型皱褶芯材夹层结构的换热性能明显提高,同时导致较大的压力损失。流体速度场随着几何构型的改变而发生周期性的变化,在结构偏折处波峰一侧流速达到最大,对流换热得到增强;沿着冷却液流动方向,结构与冷却液的温度逐渐升高,并伴随着周期性的波动;皱褶芯材夹层结构的整体换热能力随着入口流速的增大而增强。热流输入侧的面板热应力和变形均较大,结构皱褶部位存在应力集中。     

燕尾形轴向微槽热管的流动和传热特性

建立了燕尾形轴向微槽热管传热和液体流动模型并进行了数值求解,计算了其最大传 热能力。模型考虑了气液界面剪切力的作用,分析了热管内气、液相流体压力和流速及弯月 面毛细半径沿轴向的变化特性,并讨论了热负荷对蒸发段端口毛细半径的影响,以及工作温 度和吸液芯结构对最大传热能力的影响。研究表明：弯月面毛细半径沿轴向非线性增加,在 蒸发段和绝热段变化较小,而从冷凝段开始急剧上升;热管内蒸气沿程压差远小于液相压差 ;液体的平均速度远小于蒸气的平均速度;沟槽热管的最大传热能力受工作温度和毛细芯结 构尺寸的影响较大;燕尾形底宽的增大或微槽高度的增加有利于提高热管的最大传热能力, 而蒸气腔半径对最大传热能力的影响不明显。同时,还通过实验验证了本模型的正确性。
     

液氧/煤油高压推力室液膜冷却环局部过热分析

液氧/煤油发动机高压推力室采用了多条液膜冷却环带技术。由于室压高和热流密度大,易出现冷却环带结构局部过热现象,局部过热（甚至局部烧蚀）有时发生在燃烧室收缩段的冷却环上沿。传热计算和对比分析表明,在降低边区混合比的同时,第一冷却环带流量增大25%,可使过热处气壁温下降约35℃。采取增加冷却环带流量、降低燃烧室边区混合比、改善液膜冷却局部喷注结构等措施有利于燃烧室壁面的热防护,可防止局部过热的发生。     

V型皱褶芯材夹层板对流换热性能评价及优化

为考察主动冷却式一体化热防护结构用V型皱褶芯材夹层结构的性能，文章采用Fluent软件模拟受恒定热流载荷皱褶芯材夹层板在强制对流条件下的传热过程，分析其换热特性和流道内流体流动规律；并在分析皱褶芯材夹层板中正三角和倒三角2种流道换热性能差异的基础上，提出相邻流道流向相反的改进方案。该方案可提高冷却剂的利用率，使结构温度分布更加均匀。相比于具有相同几何参数的波纹芯材夹层板，皱褶芯材夹层板具有更好的换热性能，但同时以更大的当量密度和进出口压降损失为代价。比较几种常用的热效率指标，并定义了一种同时考虑换热性能、泵功率和结构质量的热效率指标，再分别以不同的热效率指标为目标函数，对皱褶芯材的几何参数L、W和S进行初步优化设计。     

再生冷却推力室准二维传热数值计算

为了提高液体火箭发动机传热计算精度,建立了再生冷却推力室准二维传热计算的通用方法。冷却通道内考虑了冷却剂层间导热导致的温度分层效应,燃气侧对流换热既可采用传统Bartz公式,又可直接求解边界层控制方程得到热流密度,最终基于MATLAB开发完成了通用的再生冷却推力室准二维传热程序。利用该程序对某氢氧发动机进行了传热计算,并与一维传热程序和三维CFD传热计算结果进行了对比,结果表明：准二维传热计算方法可以计算出冷却通道内温度分层情况,冷却剂温升、流阻计算值与热试数据吻合较好,误差在10%以内,优于一维传热结果,验证了计算方法的有效性;直接求解边界层控制方程得到的热流密度与三维计算结果吻合较好;准二维传热计算时间短,效率高。     

超临界压力下航空煤油RP-3在水平细圆管内对流换热特性实验研究

为探究超临界压力下碳氢燃料在水平管内的对流换热规律,文章针对超临界条件下航空煤油RP-3在水平细圆管内的对流换热,分析了热流密度、进口雷诺数及浮升力对对流换热的影响。研究表明:沿流动方向,管内表面传热系数随热流密度的增大先减小后增大;在低进口温度及低进口雷诺数情况下,管内换热均出现先恶化后强化的现象,而随着进口温度和雷诺数的增加,此现象消失;浮升力对换热的影响随热流密度的增加而增加;浮升力对下表面换热的加强使得入口效应的影响在下表面先于上表面结束;受浮升力影响,上下壁最大温差可达50 K;质量流速的增加会抑制浮升力对换热的影响;准则数Grq/Grth可以很好地反映浮升力的变化趋势。以上研究结果可为采用碳氢燃料作冷却介质的各类飞行器主动热防护技术方案提供技术支撑。     

重力条件对喷雾冷却换热特性影响的研究

喷雾冷却是一种高效的高热流密度散热方式,在空间热控领域具有重要的应用前景。本文基于液膜动力学、气泡动力学和传热学的基本原理,建立了描述微重力条件下喷雾冷却传热特性的理论模型。利用模型模拟的方法,对以水作为工质的微重力条件下喷雾冷却系统的被冷却表面温度分布、冷却曲线等因素进行了分析,分析结果显示:在单相区,重力条件对喷雾冷却的换热特性和表面温度分布不均匀性的影响较小;在两相区,由于微重力条件下气泡难以脱离等因素的影响,使得喷雾冷却的换热能力明显弱于常重力条件下的换热能力,并且被冷却表面的温度不均匀性增大。     

液体火箭发动机自引射工作过程传热研究

建立了液体火箭发动机自引射工作过程传热分析模型。分析了圆柱型和二次喉道型引射器在不同冷却水流量下引射器的壁温和热流的变化,得到了引射器可靠工作的冷却水流量范围,引射器冷却水温升测试值和仿真值的一致性较好。     

液氧/甲烷发动机推力室肋强化换热技术数值研究

为了提高液氧/甲烷发动机再生冷却通道中冷却剂的吸热效率,同时提高该区域的热防护能力,对带有4种不同肋结构的推力室进行了三维稳态耦合传热计算。分析结果表明,在推力室燃气侧壁面设置纵向肋之后,通过引入等效平均热流密度能够描述带肋发动机推力室壁面的实际换热特征。设置人工粗糙度能够使壁面温度降低85.4 K,但会使压降增大0.11 MPa。设置纵向肋则使冷却剂温升提高24.2 K,但同时壁面温度升高276.4 K。此外,虽然人工粗糙度能促进流体之间的传热进而使冷却剂温度分层有所削弱,但由于壁面温度较低导致靠近通道底部处的流体温度明显较低,因此冷却剂温升并没有明显提高。     

固体火箭发动机热流测量方法及试验研究

将一套创新设计的热流测量装置嵌入到可改变条件参数的固体火箭试验发动机中,进行了含铝复合推进剂试验.通过改变推进剂含铝量、燃烧产物冲刷速度和冲刷角度,测量了不同工况下两相燃烧产物的总传热热流密度.总传热规律与理论分析结果相吻合.试验证明,该装置能经受发动机内的高温强冲刷的苛刻务件.试验得到的总热流密度可为绝热层烧蚀研究中...     

带环向槽环路热管主芯中流动和传热的数学模型和数值模拟

蒸发器是环路热管中最重要的部件,蒸发器主芯中的流场是设计中关注的焦点。建立了一个轴对称二维数学模型来模拟流体工质在圆柱形蒸发器主芯中的流动、传热和蒸发现象。模型充分考虑了流场和蒸发界面间相互作用对于蒸发界面的位置和孔隙中弯曲液面曲率半径的影响。模拟了瞬态和稳态流场,并研究了热负荷的影响。模拟结果在一定工况下是合理的。     

烧结双多孔介质中沸腾换热的实验研究

对由铜粉烧结而成的三种双多孔介质结构进行了沸腾换热的实验。为了便于比较，同时对两种单多孔介质进行了沸腾换热实验。结果发现：当双多孔介质的微孔径和单多孔介质的孔径相同时，双多孔介质的换热系数和临界热流密度比单多孔介质高得多；对于同样微孔径的双多孔介质，存在最佳的粗孔径，其换热系数和临界热流密度最大；当逆静水压头减小的时候，换热系数和临界热流密度增加。     

HFC134a喷雾闪蒸冷却换热特性的实验研究

喷雾闪蒸冷却由于可以在较小的工质流量下实现很高的散热能力,在高热流密度散热、航天器热控和热防护等领域具有广阔的应用前景。本文建立了喷雾闪蒸冷却实验系统,对环境压力下以HFC134a为工质的喷雾闪蒸冷却换热特性进行了实验研究,得出了喷雾闪蒸冷却的换热特性曲线、临界热流密度(critical heat flux,CHF)以及被冷却表面温度随喷雾高度和流量的变化曲线,分析了适用于热控的最佳喷雾高度和流量。     

缩比推力室甲烷传热试验研究

为了研究火箭发动机推力室冷却通道内的甲烷传热和流阻特性,研制了缩比推力室甲烷传热试验系统,并以推力室挤压热试验的形式进行了5次超临界甲烷传热试验和2次亚临界甲烷传热试验研究.超临界甲烷传热试验燃烧室压力为5.5～7.5 MPa,燃烧室氢氧混合比约为6.8,甲烷温度为128～230 K,甲烷冷却剂流量为5～7 kg/s,甲烷冷却剂入口压力为8.3～11.7 MPa.亚临界甲烷传热试验的室压约为4 MPa,氢氧混合比2.8,甲烷温度为：128～189 K,甲烷冷却剂流量约为2.9 kg/s,甲烷入口压力为3～3.5 MPa.通过试验研究获得了液态甲烷在推力室冷却通道内超临界压力状态和亚临界压力状态下的传热和流阻特性.     

Evaporation and ignition of droplets in combustion chambers modeling and simulation

Computer simulation of liquid fuel jet injection into heated atmosphere of combustion chamber, mixture formation, ignition and combustion need adequate modeling of evaporation, which is extremely important for the curved surfaces in the presence of strong heat and mass diffusion fluxes. Combustion of most widely spread hydrocarbon fuels takes place in a gas-phase regime. Thus, evaporation of fuel from the surface of droplets turns to be one of the limiting factors of the process as well. The problems of fuel droplets atomization, evaporation being the key factors for heterogeneous reacting mixtures, the non-equilibrium effects in droplets atomization and phase transitions will be taken into account in describing thermal and mechanical interaction of droplets with streaming flows. In the present paper processes of non-equilibrium evaporation of small droplets will be discussed. As it was shown before, accounting for non-equilibrium effects in evaporation for many types of widely used liquids is crucial for droplet diameters less than 100 μm, while the surface tension effects essentially manifest only for droplets below 0.1 μm. Investigating the behavior of individual droplets in a heated air flow allowed to distinguish two scenarios for droplet heating and evaporation. Small droplets undergo successively heating, then cooling due to heat losses for evaporation, and then rapid heating till the end of their lifetime. Larger droplets could directly be heated up to a critical temperature and then evaporate rapidly. Droplet atomization interferes the heating, evaporation and combustion scenario. The scenario of fuel spray injection and self-ignition in a heated air inside combustion chamber has three characteristic stages. At first stage of jet injection droplets evaporate very rapidly thus cooling the gas at injection point, the liquid jet is very short and changes for a vapor jet. At second stage liquid jet is becoming longer, because evaporation rate decreases due to decrease of temperature. But combustion of fuel vapor begins which brings to increase of heat flux to droplets and accelerates evaporation. The length of the liquid jet decreases again and remains constant slightly oscillating.     

倾角对含油工质冷凝换热影响的实验研究

随着航天器热控制的发展,蒸气压缩热泵排热系统等热控方式逐渐受到人们的重视,其中冷凝换热对热泵的性能好坏有重要的影响。为了研究重力场对冷凝换热的影响,将紫铜直管冷凝器置于蒸气压缩热泵系统中,通过改变重力场与流动方向的夹角,测量得到了不同倾角下的冷凝换热系数和压降。实验结果表明,倾角对直管内冷凝换热系数的影响较大,不同倾角下的换热系数差别达30%,远大于不同倾角对直管内蒸发换热的影响;压缩机润滑油对冷凝换热的影响也很大,相比较无润滑油冷凝换热系数低30%以上。随着质量流量的增加,压缩机润滑油的影响逐渐减弱。
     

人工粗糙度对矩形弯曲管道流动与传热数值模拟

人工粗糙度作为一种局部强化换热技术,对提高再生冷却效率有重要意义。为了研究人工粗糙度对矩形冷却通道三维流动与传热特性的影响,以及在弯曲段与二次流的耦合作用,对有人工粗糙度的三维弯曲矩形通道进行了建模,并应用Fluent软件进行了数值仿真计算,采用了能够有效准确地求解受强曲率影响的管道内及近壁区域湍流流动的RNG k-ε湍流模型。结果表明:在冷却通道底面添加人工粗糙度会使底部流动受到干扰进而导致流速中心上移,因此在弯曲段,有人工粗糙度的冷却通道中所产生迪恩涡的范围相对较小且距离底面较远,而随着二次流的产生,流速中心会向底部移动,使得该处的换热得到改善,整体对流传热系数上升;当入口质量流量分别为0.1 kg/s,0.2 kg/s,0.3 kg/s时,有人工粗糙度工况下弯曲段加热面平均对流传热系数分别增加了11.86%,13.11%,16.14%,表明添加人工粗糙度可以显著提高换热,且随着入口质量流量的增加其对换热的提高作用也变得越来越明显。