空间科学实验平台分布式风回路优化设计

空间科学实验平台是集机械、热控、电子学及通信等系统于一体的综合平台, 能够为有效载荷提供适宜的工作环境. 为减小通风回路的流动阻力, 提高空气流量及其散热能力, 对采用强迫通风冷却散热方式的空间科学实验平台分布式风回路提出三种结构布局并进行对比. 利用计算流体力学方法对三种布局的压力场和速度场进行了计算, 得到空间科学实验平台内部阻力和速度分布. 综合考虑三种布局的结构及流场阻力特性, 得到空间科学实验平台分布式风回路的优化设计结果.      

空间科学实验柜被动式减振系统研究

载人航天二期我国将发展短期有人照料的空间实验室,将开展一系列空间科学实验.国际空间站和我国神舟飞船实际微重力水平测量结果表明,需采取必要的减振措施才能满足特殊科学实验要求,鉴于此对空间科学实验柜被动式减振系统进行了研究和设计.根据空间科学实验柜在载人航天器内的实际安放状态,对其进行了减振布局.将实验柜本身作为刚体,建立6自由度的减振系统动力学模型,然后在ADAMS中建立了空间科学实验柜及减振系统三维实体模型,对减振系统进行仿真,得出系统时域、频域及随机输入下的响应特性.对减振系统参数进行优化,提高了系统的减振效果.      

空间科学实验地面支持系统平台

相对于其他空间任务, 空间科学实验具有用户分散、实验进程控制 (遥科学实验)要求实时或准实时、多种类型空间科学数据处理要求等特点. 针对空间科学实验的特点和对地面支持系统的要求, 结合实践八号卫星(SJ-8)、探测双星(TC-1, TC-2) 和神舟系列飞船(SZ) 的空间科学实验地面支持系统的任务完成情况, 以及未来空间科学实验任务的需求, 提出了地面支持系统平台的构架设想. 该系统平台支持空间科学实验的状态监视与控制, 支持遥科学实验, 能够支持空间科学实验数据标准产品的定制处理, 满足空间科学实验多任务的要求, 具有通用性和可扩展性.      

天舟一号货运飞船空间实验装置蒸发相变地面实验

以天舟一号货运飞船为依托,开展空间蒸发相变传热规律的科学实验研究,探索重力对蒸发传热传质过程的影响规律.设计了一套地面蒸发实验平台,以蒸发相变液体FC-72为研究对象,通过红外热像仪测温、热流量计、差分热电偶等手段,观测FC-72液层在不同台面温度、注液量等情况下的相变界面变化、蒸发表面特性、流体物性及Marangoni对流涡胞的变化等,获取其蒸发两相流体的液层温度差、表面温度场、热流量值、蒸发速率和涡胞结构等.实验结果表明:在其他条件不变的情况下,FC-72液层与蒸发台面的温差越高,其蒸发速率越快;注液量越大,蒸发速率也越大;在蒸发过程中出现了浮力对流涡胞和Marangoni对流涡胞.此外,通过地面蒸发实验可以确定空间科学实验选用的实验介质和材料,进而优化确定空间科学实验的工况、参数及流程等,部分地面实验结果也将直接成为天地对比实验的科学成果.      

两相控温型储液器进出流量的瞬态数值模拟

两相控温型储液器是泵驱两相流体回路（MPTL）系统中的一个重要部件,承担着工质存储、供给、气液分离及精密控温的作用。采用Navier-Stokes方程建立了MPTL系统瞬态模拟的仿真模型,可用于研究热源功率变化时储液器与主回路的动态传热和传质特性。通过仿真与试验对比发现,数值模型的流量误差在±10%以内,验证了模型的有效性和准确度。数值模拟结果表明:热源开关机时,储液器与主回路发生工质交换,气液两相的温度和压力受到影响,系统的流阻也受到影响;随着热源功率的增加,工质交换速率和交换总量随之增加,储液器内气液两相的温度和压力变化趋势随之增大。该模型可用于研究不同工作条件下的流量、温度和干度的变化特性,指导MPTL设计,并在系统搭建前预测系统特性。      

载人运输飞船流体回路试验研究

详细介绍了载人运输飞船热控船流体回路主要技术方案,包括系统组成与流程设计、工作模式设计、主要技术状态等,并列出了流体回路全部试验工况及相关试验结果,试验结果表明流体回路具有良好的温度调控能力和适应能力。重点对流体回路辐射器、冷凝干燥器、冷板、换热器等设备换热能力及低温情况下工质体积补偿、低压情况下工质溶气释出导致泵压头波动等问题进行了分析。最后根据分析和试验结果对系统提出了优化改进建议。     

空间站燃烧科学实验系统设计

建立空间站燃烧实验系统，可满足未来空间微重力燃烧实验系统需求.通过空间站微重力燃烧实验研究，可拓展空间燃烧学研究.根据所要实现的功能及燃烧实验需求，对中国空间站燃烧柜的燃烧科学实验系统进行了设计和分析.燃烧科学实验系统由8个子系统组成，是一个适合开展气、液、固多种燃料燃烧实验的综合性实验系统.考虑到强度设计要求，在完成方案设计后，对系统进行了有限元分析，并在研制的结构件上进行了力学环境实验.实验与分析结果表明，本文设计的实验系统能够满足环模实验的要求，结构合理可行.      

主动隔振系统中驱动器的有限元分析

用于空间科学实验的主动振动隔离系统采用洛伦兹力驱动的方法, 将被隔振的平台 悬浮于空中. 对电磁驱动部分的动力学分析是各种设计和实验的基础. 提出了一种驱动器的结构, 并对驱动器的永磁部分进行了有限元分析, 包括模型的建立、 静力学分析、模态分析、瞬态分析、谐响应分析和谱分析, 由此验证其力学性能可以 满足设计要求. 为优化结构设计, 减小驱动器尺寸, 降低设计开发成本, 缩短设计开发周期, 提高产品质量奠定了基础.      

空间科学任务协同设计论证平台

空间科学任务协同设计论证存在设计方案耦合强,数据一致性差,数据变更难,数据与流程脱节等问题.为了解决上述问题,建立了典型空间科学任务的多层数字化模型;采用图形化方式对论证流程进行建模,并建立流程与数据的映射关系;通过共享数据池的方式为多岗位用户提供多方案数据协同机制;采用消息总线对数据变更进行及时提醒;利用方案依赖关系矩阵来判别方案耦合关系,最终自动合并任务总体设计方案.作为一个分布式平台,空间科学任务协同设计平台采用Eclipse RCP和Spring技术架构,整合了Hibernate、工作流Activiti5等中间件,提供统一门户,支持多岗位、多任务、多方案、多版本的管理能力,提供论证流程监控、数据协同交互等功能.结合某空间科学任务论证验证了该平台的有效性.      

空间科学任务协同设计过程优化

为了对概念设计阶段空间科学任务协同设计过程进行合理规划, 减少设计反馈, 降低系统耦合度, 提出了设计结构矩阵(DSM)过程建模和遗传算法(GA) 过程优化算法. 该方法采用DSM对空间科学任务设计活动序列进行建模, 通过DSM描述设计活动间的信息依赖关系, DSM上三角之和代表该设计活动序列设计反馈次数; 将 DSM对应的设计活动序列视为染色体, 采用GA进行序列优化, 最小化设计反馈次数. 通过过程优化算法获取最佳设计活动序列, 优化设计过程, 降低系统耦合度. 空间科学任务实例分析结果表明, 该方法能够有效应用于空间科学任务协同设计的过程建模和过程优化, 指导设计过程的制定.      

矩形微槽乙醇水溶液传热特性数值模拟

由于影响微槽传热特性的因素较多,实验研究结果相互矛盾,使得实验研究和数值仿真相结合成为进一步深入认识微槽传热特性的有效手段.在实验研究的基础上,采用有限体积法对矩形微槽中体积浓度30％的乙醇水溶液传热特性进行了三维数值模拟. 矩形微槽采用两种不同对称结构和热边界条件,进口采用流动完全发展边界条件.对不同对称结构和物性条件(常物性和变物性)的计算结果进行了比较,并与实验结果进行了对比.研究表明,对所研究微槽结构和工质,采用流动完全发展进口条件,以及随温度变化的热物性参数,数值计算结果与实验结果基本吻合.      

丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究

通过采用石英补偿器和高速摄像机实现了对丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究，重点研究了补偿器内工质的状态随充装量和传热量的变化及充装量对环路热管传热性能的影响。研究发现，容积为51.4 mL的环路热管最佳充装量约为19.7 g。充装量小于最佳充装量的各工况下，能观察到对应补偿器内工质液面高度低于引流管，蒸发器和补偿器之间相变换热强烈，引流管外壁面明显有工质的冷凝及流动，且工质冷凝和流动的速度随着传热量的增加而加快；随着充装量增加，环路热管传热热阻减小，280 K工作温度以下的传热量增大。最佳充装量对应的补偿器内液面高度浸没引流管而接近蒸发器核心通道顶端，得到280 K以下最大传热量为40 W，对应的最优传热热阻为2 K/W。充装量大于最佳充装量的工况下，补偿器内液面高度超过蒸发器核心顶端，随着充装量增加，环路热管传热热阻增大，280 K以下的传热量减小。补偿器和蒸发器核心通道内的工质分布能影响蒸发器向补偿器的漏热量，这是充装量影响环路热管性能的重要原因。      

环路热管内工质流动特性的研究

由于环路热管（LHP）具有高传热性能、远距离传输热量、优良的控温特性和管路的可任意弯曲、安装方便等特点，使LHP在航天热控领域有着广泛的应用前景。文章对LHP内工质的流动压力降进行了分析和计算；对毛细芯所能提供的最大蒸发传热能力进行了预测，并结合实验研究综合分析了毛细芯结构对LHP性能的影响。     

阵列射流冲击复合不同肋化表面的沸腾特性

阵列射流冲击冷却技术可以有效地解决高热流密度器件的散热问题,为了验证受冲击表面强化传热结构对优化两相射流冷却性能的有效性,结合高速显微摄像手段,研究了不同肋化表面结构形态对受限式阵列射流冷却的流动、传热特性的影响。设计了2种含不同肋化表面形态:光滑切割针肋（0.6 mm×0.6 mm×1.0 mm）、外覆多孔烧结层的粗糙针肋（粒径为73~53 μm）。实验使用无水乙醇为工质,以光滑表面的射流冷却热沉为对照组,入口温度均为20℃,在固定工质流量7.5 mL/s下,随着加热热流密度由5 W/cm2增加至100 W/cm2时,热沉的换热系数均持续上升但增幅逐渐减小,未明显观察到沸腾相变的发生。对固定热流密度82.6 W/cm2、80.5 W/cm2改变工质流量（射流雷诺数）的实验工况,当工质流量由7.5 mL/s逐渐降低至1.0 mL/s时,可以非常明显地观测到射流腔内部工质由分层湍流逐步进入泡状流、弹状流及环状流,其分别对应起始沸腾区、核态沸腾区及膜态沸腾区。      

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.     

毛细管束中层流粘性振荡流强化传热的若干问题

本文是作者从事振荡管流换热研究的总结。研究结果表明:流体在管内作轴向振荡运动时,可以极大地强化轴向的传热。本文给出了计及管壁效应的振荡管流换热的精确解析解,公布了变Pr数的实验结果。在此基础上,讨论了影响振荡管流轴向换热的6个无因次参数的物理含义,并指出其中的某些无因次参数在物理本质上就是傅里叶数的倒数的平方根,这将有利于理解振荡管流换热这种非定常换热过程。由本文的精确解析解,经过简化,可以得到国内外已公布的近似解。实验数据和解析解预言的基本规律符合很好。     

含内热源的多孔方腔自然对流非正交MRT-LBM模拟

为了增强多孔方腔内流体流动与传热效果，采用非正交多松弛格子Boltzmann方法（MRT-LBM）对含有内热源的多孔方腔自然对流传热现象进行了数值模拟。研究了不同冷源布置方案（Scheme A~Scheme F）、内热源结构形式（Case 1、Case 2、Case 3）、内热源位置（a、b）、Darcy数、Rayleigh数等对多孔方腔内流体流动与传热的影响。计算结果表明:冷源布置方案对腔内流体流动与传热具有重要影响，当冷源左右对称布置时，腔内温度场及流场亦对称分布；在高Rayleigh数下采用Scheme A的双上部冷源布置方案能明显提高腔内的传热强度；内热源的形状对腔内对流传热影响很大，高Rayleigh数下，Case 3的布置方式更好。内热源的位置a和b对腔内的传热影响明显，提出了热壁面平均Nusselt数与位置a的拟合关系式，存在最佳的位置a（a=0.25），使得腔内的对流传热最强；热壁面平均Nusselt数亦随b值变化表现出特定的变化规律。随着b值的增加，热壁面平均Nusselt数呈现先增后减再增的趋势。      

并联蒸发器环路热管实验研究

采用并联蒸发器环路热管作为传热元件,并联冷却管辐射器作为散热部件,建立了包括热量收集、传递与排散的环路热管(LHP)集成试验系统,并进行了实验研究。实验结果表明:在并联蒸发器LHP系统中,蒸发器按顺序先后启动是其稳定的启动方式;在LHP运行过程中,当LHP工作在可变热导模式下,只有一个液体补偿器中保持汽液两相状态,并控制着LHP的运行温度,另一个液体补偿器则被充满液体,且处于过冷状态;在总热负荷不变的情况下,随着热负荷在蒸发器之间的分配不同,LHP的运行温度改变。当LHP工作在固定热导模式下,LHP的运行温度只与总热负荷有关,而与热负荷的分配情况无关。     

高温热管技术研究进展与展望

高温热管的工作温度高,传热性能好,在高超声速飞行器热防护、空间核反应堆冷却、太阳能利用等方面具有广阔的应用前景。报告了高温热管技术的研究现状,包括高温热管的冷冻启动特性研究、传热性能研究、试验研究、数值分析研究;介绍了放置倾角、工质物性参数、工质充装量、不凝气体含量、材料、结构和尺寸等因素对高温热管启动和传热性能的影响规律,以及高温热管技术在高超声速飞行器热防护、空间核反应堆冷却、太阳能利用等方面的应用研究等;指出了高温热管数值分析模型和工程应用验证等一系列有待深化研究的方向;提出了进一步深入研究高温热管技术的详细建议。     

气动热CFD计算的格式效应研究

通过对N-S方程的求解计算了二维圆柱绕流及三维绕钝双锥高超声速流动过程中的气动热问题.对于求解方程,在空间离散的格式上,选用了3种上风格式——Roe的FDS,Van Leer的FVS和AUSM+格式以及一种中心差分格式,将各种格式所得的热流结果与实验结果进行了比较.对于AUSM+格式,还应用了minmod limiter 和 双 minmod limiter 两种限制器,并对结果进行了对比.