微重力场中通风换热的数值研究

为在地面模拟空间站舱内的流动与换热,以两顶角集中进风,两底角集中出风的通风方式为对象,研究了微重力是条件下复杂深间内的对流换热地面相似模拟问题,采用数值分析方法,分别考察了方腔中无隔离物,有绝热隔离物,有等温隔离物以及有等温悬浮物的几种有代表性的不同情形,给出了每种情形下不同比例模型的流动与换热情况的数值模拟结果,并针对各种不同情形进行了分析说明,分析表明,集中通风方式更有利于抑制自然对流的影响。     

基于地面实验的蒙皮换热器高空换热性能分析

面向未来我国大功率机载电子设备冷却需求,需要发展新型机载冷却方式,减少对传统环控制冷系统的依赖,为此研究了一种气/气蒙皮换热器用于电子设备热管理.该蒙皮换热器是一种无能耗被动换热方式,在不增加飞机代偿损失的情况下实现大功率电子设备热管理.为了考核所设计的蒙皮换热器机载飞机环境换热性能,设计加工了实验样件,在地面开展了换热性能实验研究工作,获得热边流动传热准则和对流换热系数.在此基础上推演出高空巡航状态下的蒙皮换热器换热性能,获得传热最不利安装位置和改进位置时的传热性能.研究工作预期为未来我国基于蒙皮换热器的飞机综合热管理提供设计及机载应用技术支持.     

星载电子器件用空气射流散热特性

在前期设计卫星大功率电子设备地面测试用通风散热系统的基础上,对系统散热性能进行了优化设计,对不同结构参数下电子器件的空气射流强化散热开展了数值仿真.研究结果表明系统中喷嘴出口直径、喷嘴出口至换热面距离、射流倾斜角以及喷嘴出口风速等参数对散热性能均有直接影响,并给出了定量的无量纲参数优化设计结果.该结论也可应用于表面热流密度为1 kW/m2级电子器件散热的优化设计,并为星载大功率电子设备对流式热控系统设计和地面测试提供技术参考.      

地面模拟微重力条件下Cu-Pb合金的制备及微观结构与摩擦性能研究

利用地面上建立的微重力电磁模拟设备成功制备出了Cu-Pb二元难混合金,并对其微观组织结构与摩擦性能进行了分析与测试。样品SEM分析结果表明,模拟微重力状态下制备的合金样品较好地克服了地面上因重力影响而产生的严重成分偏析,少数弥散相较均匀地分布于基体中,少数相含量越低,弥散体尺寸越小,分布越均匀;摩擦性能测试结果显示合金模拟样品的摩擦性能明显好于基体金属,且摩擦系数随少数相Pb的含量的增大而减小,体积磨损率随少数相含量的增大先快速减小而后又缓慢增大。同时对实验结果进行了简单的分析与讨论。      

基于气浮的卫星挠性旋转帆板物理仿真系统设计

挠性附件运动时产生的弹性振动是影响空间飞行器指向精度和控制性能的主要原因.因此,在地面对控制系统抑制振动的性能进行验证具有重要意义.由于太阳帆板低频且长度较大,在地面构建大范围运动的空间微重力环境,耗资及难度极大.本文提出一种基于等效主轴惯量与挠性频率的卫星挠性旋转帆板挠性模拟器,基于气浮法设计了低摩擦与微重力环境的物理仿真系统,并建立了模拟器的动力学模型,等效模拟了卫星挠性旋转帆板的振动特性,降低了卫星挠性旋转帆板地面微重力运动环境模拟的难度,实现了对其控制算法抑制振动性能的有效及高经济性测试.仿真结果表明,模拟器可以通过简单操作实现参数的平滑改变以模拟不同参数及结构的卫星挠性旋转帆板,且具有与真实太阳帆板一致的振动特性,满足测试要求.      

矩形通道内气膜出流对内换热的影响规律

研究对象为矩形通道,包括2个直肋和9个气膜孔,主要研究气膜的出流比、开孔率对通道内换热的影响,温度场的测量采用了热色液晶测温技术.实验发现气膜出流对换热有强化作用,气膜孔对通道平均换热影响也与其在肋间的位置有关,其中肋后孔的影响最大.在不同的雷诺数下,开一个气膜孔时,出流比在6%~8%之间通道壁面内换热效果最好,低雷诺数下增强换热的效果显著;研究孔边的换热规律发现,在孔下游换热明显增强,从孔边到下游5倍孔直径处,强化换热比在1.1倍以上;此外还研究了开孔率对增强换热的影响规律.      

微重力环境下的表面张力及无接触测量

表面张力是材料重要的物理化学参数之一, 尤其在微重力条件下, 由表面张力引起的科学现象一直备受关注. 静滴法是地面重力条件下进行熔体表面张力测量的主要方法, 该方法的测量结果精确, 但在微重力环境下该法应用尚存在一些问题. 本文基于对表面张力理论的思考, 阐述了对其测量方法的认识和见解, 并讨论了地面上采用静滴法对熔体的表面张力进行测量研究以及静滴法在微重力条件下应用的困难. 进而介绍了利用悬浮技术进行熔体表面张力测量的无接触测量方法, 特别介绍了电磁悬浮法, 该法避免了由于容器接触带入杂质所引起的误差, 尤其在微重力条件下消除了重力的影响, 测量精度得到显著提高.      

空间在轨流体输运稳定性落塔实验

空间流体管理是微重力流体科学的重要研究方向之一,而有外力驱动的开口流道毛细流动界面稳定性研究是其重要的内容.设计研制了一种微重力双流道流体输运实验装置,采用的两个流道分别为截面相同的对称内角和非对称内角,并有相同的开口长度,在百米微重力落塔进行了10次双舱实验.通过分析不同流量下的液面特性,判定流动的类别,将流动形态分为亚临界、临界和超临界三种,确定了两个流道的临界流量,并对两个流道毛细流动的特征进行了比较.      

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。      

旋转方位角对斜肋通道内部流动与换热的影响

数值模拟了静止及旋转状态下径向出流60°斜肋通道的内流动与换热分布,研究了3种旋转方位角:0°,-45°及+45°.分析了哥氏力与肋片对旋转通道内流及换热的耦合作用机理.计算结果表明:旋转方位角对通道的内流与换热影响显著.在0°旋转方位角下,通道前后缘的换热差异最大;在-45°方位角下,通道整体换热性能最差;在+45°方位角下,通道具有最佳的整体换热性能.     

逆载对管道内汽水两相流临界热流密度的影响

利用旋转平台对逆载作用下矩形通道内汽水两相流临界换热进行了实验研究。通过改变逆载大小、入口流体过冷度、流体质量流速等参数,获得了静止和逆载作用2种状态下矩形管道内汽水两相流临界换热实验数据。实验结果表明,质量流速随着加热时间的增长而减小,进出口压差则反之;临界状态下,质量流速随着逆载、过冷度的增大而减小;进出口压差随着逆载、质量流速的增大而增大,随着过冷度的增大而减小;临界热流密度值随着逆载、质量流速、入口过冷度的增大而增大;其中逆载对临界热流密度的影响最为显著,在逆载从0g~2.5g变换范围内,临界热流密度可提高50%。     

实践十号卫星蒸发对流箱地面科学实验结果分析

实践十号卫星蒸发对流实验旨在研究置于加热底板的蒸发液滴在相变过程中,表面蒸发与表面张力驱动对流的耦合机理及其不稳定性.为与空间实验结果进行对比,利用蒸发对流箱完成在轨工况的科学匹配实验,获得相应工况的地面科学数据、工程参数及实验图像.通过对地面科学匹配实验结果进行分析,得到不同工况下液滴形貌（体积、表面积、接触角、液滴高度、液滴直径）变化规律,以及液滴蒸发过程中温度、热流量、蒸发速率和蒸发流量的变化规律.依据实验结果分析研究了具有质量交换的复杂流体相变界面的热质传输规律.      

反演航天器在轨瞬态外热流的导热反问题

获得航天器在轨飞行过程中的外热流数据对于研究热控涂层在轨退化规律、各种空间因素对热控产品的影响以及航天器姿轨控发动机羽流热效应都有非常重要的意义,然而直接测量热流存在很多困难,因此可以通过求解导热反问题得到满足一定精度的结果.首先,通过研究利用航天器设备在轨遥测温度值反演出航天器在轨瞬态外热流的导热反问题方法,建立了反演航天器在轨瞬态外热流的数学模型,采用共轭梯度法求解导热反问题并从物理概念角度改进了共轭梯度法的迭代过程以增加其抗不适定性;然后构造了两组能够代表目前大多数地球轨道航天器以及深空探测航天器在轨吸收外热流变化的数值试验对共轭梯度法的反演效果进行了检验.除阶跃变化位置以外反演值与真实值的最大相对偏差为2.9%,反演效果非常好;对于阶跃变化位置的吸收外热流在对反演结果进行分析处理后也能够得到较好的反演结果.      

舱外航天服空间热流分析计算

进行了舱外航天服的被动热防护性设计,了解其空间辐射换热及空间热流.分析了舱外航天服空间热交换的特点及其真空屏蔽绝热层的隔热性能,确定了航天服、地球、飞船及太阳照射方向的4种典型相对位置关系,对各相对位置下航天服的空间辐射外热流进行了分析,并建立了空间热流的计算方法,对航天服表面最大得热与漏热进行了求解.最终计算结果表明:航天服被动热防护性能对空间热流的影响很大.进行被动热防护设计首先应提高隔热性能,并适当减小表面太阳辐射吸收率与表面黑度的比值.     

空间多层打孔隔热材料热分析数值方法研究

分析了空间多层打孔隔热材料中导热和辐射换热的复合传热问题,建立了关于反射屏的能量方程。结合有限差分法,提出了空间多层打孔隔热材料反射屏瞬态温度计算的模型以及内部辐射数值分析模型,空间环境作为整个模拟中的一个屏,使模型的边界条件方便处理。将该模型的预测结果与文献中相似工况下的预测值和实验值进行比较,说明了该模型在工程中应用的可行性。另一算例的计算结果说明了空间多层打孔隔热材料的瞬态温度、漏热热流变化特点以及反射屏温度分布特点。该模型为多层打孔隔热材料热结构性能研究以及优化设计提供了理论基础。     

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。      

GEO长寿命卫星热管在轨等温性能分析

热管是GEO长寿命卫星热控设计大量使用的重要传热元件，其在轨等温传热性能是影响卫星安全可靠工作的关键因素。针对中国在轨长期稳定运行的GEO长寿命卫星热管，基于热管在轨温度遥测数据，采用数理统计方法分析热管在轨等温性能随时间的实际变化规律，分析表明：GEO长寿命卫星热管在轨等温性能稳定性良好，等温性受热管自身温度水平影响较大，年周期内呈现季节性变化，全寿命周期内随飞行时间推移呈现性能衰减下降趋势，寿命末期等温性优于1.6℃，并从热管设计、热负荷大小与分布、使用环境等方面进行等温性改进分析及应用建议。     

冲击与气膜的组合形式对冷却效果的影响

通过数值模拟,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击与气膜的组合冷却流动换热的机理,讨论了冲击孔与气膜孔的组合形式对组合冷却效果的影响.计算参数范围是:吹风比M=0.6~2.0,冷气进口雷诺数Re=2000~5000.计算结果表明:①气膜孔与冲击孔的位置及其排列方式对双层腔结构的冷却效果的影响是非常明显的,且存在一个最佳的组合冷却形式;②在狭小的封闭空间内,冲击靶面的努塞尔数分布呈明显的双峰结构,冲击滞止点处于两个峰值之间的峰谷.      

固体运载火箭变轨发动机喷管气流分离研究

固体运载火箭变轨发动机喷管在工作过程中可能产生气流分离问题,为研究气流分离对喷管性能的影响,开展了理论计算与数值模拟分析。通过分析获得了气流分离点位置、推力系数、喷管壁面的压强、对流换热系数、温度分布。结果表明:地面推力系数是真空推力系数的73.3%,喷管气流分离影响了发动机能量转换;气流分离后喷管壁面压强、对流换热系数、温度存在跃变现象,从而会对喷管扩张段产生不利影响。该分析为进一步研究固体火箭发动机高空喷管通过地面试验性能预示高空性能及喷管扩张段热防护设计提供参考。     

Charge exchange interactions on near-Earth proton radiation for orbit perturbation of high area-to-mass ratio objects

This novel concept expels neutral gas in the presence of geomagnetically-trapped protons in near-Earth orbit. The expelled neutral gas acts to induce charge exchange collisions with the geomagnetically-trapped protons and induce drag on objects which pass through it. The charge exchange collisions between the neutral gas and the geomagnetically-trapped protons create neutrals with similar kinetic energy that are not confined by the geomagnetic field. The charge exchange neutrals are able to collide with orbital objects and perturb their orbits. The delta-v applied by the charge exchange neutral flux is greatest on high area-to-mass objects. Numerical simulation shows charge exchange neutral impacts produce a delta-v on objects on the order of 3.8 x 10⁻¹¹ m/s at a distance of 1 km from the center of the expelled gas in a 1,000 km orbit. The impulse imparted by charge exchange neutral impacts is at least six orders of magnitude smaller than that provided by the induced drag caused by gas expulsion. The localized drag increase can force a majority of small objects into the orbit of the expelled gas cloud, even if that orbit is retrograde to the initial orbit of the objects. This new technique can be applied to the remediation of space debris.