基于硬脂酸复合相变材料的被动热沉性能

固液相变储能材料的被动热沉广泛应用于航空航天及军事装备领域。针对高热流密度电子芯片的被动温控问题,对比实验验证了单温度和双温度2种数值模拟方法对基于泡沫铜/硬脂酸复合相变材料被动热沉控温过程模拟的准确性。结合基于Maxwell-Garnett模型的EMT建立了石墨烯纳米片/硬脂酸复合相变材料物性,采用更为精确的双温度数值模拟方法分析了不同导热强化方式的控温效果,并研究了环境温度对热沉控温效果的影响。结果表明:高热流密度下的相变温控过程采用双温度数值模拟更为精确;当导热增强体的体积组分相同时,提高泡沫金属的孔密度对相变温控效果提升有限,而同时采用泡沫金属与石墨烯纳米片能更有效改善相变控温效果;环境温度的剧烈变化对温控时间和控温温度均能产生影响。      

泡沫铜/低熔点合金复合相变材料凝固放热分析

为研究泡沫铜/低熔点合金(LMPA)复合相变材料在间歇放热工作环境下恢复至初始状态的能力及不同孔隙率泡沫铜的添加对其凝固放热过程的影响，通过数值模拟对比分析了47合金、正二十三烷与泡沫铜复合前后的凝固放热过程，并调节泡沫铜/47合金复合材料孔隙率计算模拟芯片温度在凝固放热过程中温度随时间变化曲线。结果表明:泡沫铜的添加对2类材料凝固过程均有促进作用，模拟芯片恢复至目标温度所需时间分别被缩短6.6%和47.7%。因体积潜热值的差距，泡沫铜/47合金凝固时需放出更多热量，恢复至目标温度的时间较长，是正二十三烷复合相变材料的1.52倍。随着孔隙率的增大，复合相变材料恢复至室温状态所用时长变化不大，考虑到孔隙率对相变热控过程中的影响，实际使用时应综合考虑。      

环肋翅片管相变传热特性及分形优化

基于管壳式相变换热器，通过数值模拟方法研究了35号石蜡在矩形环肋翅片管外的融化传热特性，建立肋片单元三维模型研究热流体温度、肋片高度参数对传热过程的影响，并探究了分形结构翅片的优化传热性能。结果表明:矩形环肋翅片管外相变融化过程分为传热速率差异明显的3段，适用于不同功率需求；提高热流体入口温度和相变材料温差近似等比增强总传热功率；肋片高度由10 cm分别提高至12.5 cm、15 cm时，总融化时间分别缩短42.89%、71.96%，增强传热，但功率重量比降低；分形结构优化翅片总融化时间缩短41.95%，功率提高，为相变翅片管的优化设计提供参考。      

一种空间相变换热器热设计与仿真分析及其改进

基于相变计算方法即焓法处理相变材料凝固/融化模型,对一个以水为主动冷却介质,内填充石蜡类相变蓄热材料的板式相变换热器的换热进行数值模拟.得到了不同重力条件下冷却面的温度分布,相变材料在融化过程中的动态温度场分布、相变界面分布、融化时间等结果,验证了该相变换热器的可行性.对比该相变换热器在重力与微重力不同条件下的性能差异,利用添加强化传热肋片与泡沫复合相变材料方法,提高了微重力条件下该类相变换热器的效率,可为空间相变蓄热装置的设计及实验研究提供重要参考.      

微重力下相变储能单元融化过程数值模拟

为探究微重力环境中,通过肋片强化了传热的相变储能单元中相变材料融化过程,通过数值模拟方法探究了微重力作用时相变材料融化过程中传热特性。通过地面实验与重力作用下数值模拟结果对比验证数值模拟方法的准确性,对比重力和微重力作用2种情况下数值模拟结果以揭示微重力环境中相变材料融化过程的特性。结果表明,当相变储能单元受微重力作用时,相变材料融化速率明显下降,热量主要通过热传导传递,融化的相变材料从顶端膨胀溢出向空间扩散,局部低温区域在相变储能单元中上部。      

纳米复合相变材料熔化过程数值模拟

相变储能技术在航空航天等领域具有广泛的应用前景,但是相变材料导热性能差制约了其工程化应用。高导热的纳米材料能够有效提高相变材料的导热性能。为了对其相变现象进行更精细的模拟分析,基于Maxwell-Garnett等效介质理论（EMT）建立3种具有代表性结构的纳米复合相变材料详细物性参数,将流体体积（VOF）模型与焓-多孔介质模型相耦合,在考虑相变材料体积膨胀的情况下,数值模拟了纯石蜡、添加不同体积组分金刚石纳米粒子（ND）、单壁碳纳米管（SWCNT）和石墨烯纳米片（GnP）的纳米复合相变材料在定温边界条件下的固液相变过程。结果表明:相变材料熔化过程中对流效应主要分布在临近固液相界面、临近加热壁面及临近气液两相交界面这3个区域;3种纳米粒子中GnP的导热强化效果最佳,相比纯石蜡,添加体积分数为3%的GnP纳米复合相变材料固相导热系数提高了486%,相变材料的熔化时间缩短了69%;升高壁面温度能够有效缩短复合相变材料的熔化时间。      

泡沫铜作为填充材料的相变储热实验

对填充有泡沫铜的固-液相变储热装置进行了试验研究.采用纯度为98%的正21烷(C₂₁H₄₄)作为相变材料(PCM),通过抽真空灌注的方法将其灌注到泡沫铜内部,封装并作绝热处理后作为试验件.在进行储热试验时,用嵌入了加热棒的铝制底座模拟被散热件对试验件加热,利用探针式和贴片式铂电阻(pt100)测量试验件温度并通过数据采集仪进行采集.整理绘制了在不同加热功率下的温度时间曲线,讨论和分析了此装置的热性能,结果表明泡沫铜作为填充材料能明显改善相变储能装置的传热性能和内部温度均匀性.      

求解等温相变问题的解耦法

基于焓法模型导出了一种求解等温相变问题的简单计算模型.计算模型将温度场与液相分数场进行解耦,即可分别求解出相变控制体和非相变控制体的温度;以长方体容器为例,用计算模型进行计算并将计算结果与实验数据及焓法计算结果进行对比验证,结果吻合的很好;利用计算模型,对长方体容器和圆柱体容器内相变材料熔化时间进行数值计算比较.结果表明,在容器体积和特征尺寸相同的条件下,长方体容器内相变材料的熔化时间几乎只有圆柱体容器的一半.      

锂电池相变材料/风冷综合热管理系统温升特性

锂电池在高倍率充放电过程中会产生大量热量,此热量不及时散出会导致电池超温进而影响电池的使用寿命,甚至导致安全事故。本文设计了一种新型相变材料/风冷综合热管理系统(TMS),并对综合热管理方式下的电池温升特性进行了实验和理论研究。基于集总参数法,结合电池生热及散热机理,建立了电池发热功率计算模型以及相变材料/风冷综合TMS电池温度场数学模型,计算了电池单体发热功率,分析了环境温度、电池充放电循环初始温度、相变温度、对流热阻以及电池和相变材料之间的导热热阻对电池综合TMS性能的影响。结果表明:综合TMS的冷却性能优于纯风冷热管理系统;电池充放电过程为非稳态传热过程,因此较高的初始温度带来超温风险;电池温度场数学模型能准确反映电池升温行为;较高的环境温度下,电池最大温升幅度降低,但可能导致电池最高温度超过安全温度;相变材料的相变温度越低,电池最大温升越低;减小导热热阻及对流热阻能显著提高TMS性能。     

低电阻率陶瓷基PTC材料温控特性研究

常温居里点陶瓷基正温度系数材料在常温段热控领域具有广阔应用前景，但其存在低温区电阻率过大的问题。基于此，以Ba0.64Sr0.36TiO3为基体并采用固相烧结工艺，研制出低温区电阻率为800Ω·cm的常温居里点PTC材料，分别利用实验和仿真手段对其温控性能进行研究。结果表明：在低温、低电压工况下，该材料可将受控体温度迅速维持在25.6℃附近，而其他加热元件控制温度均偏离常温。该材料热控响应时间少于其他加热元件的50%。在-5～5℃的周期性变化环境中，该材料控温波动幅度最小，只有2.1℃。在真实低温环境下，该材料能将受控体温度快速升至约22.3℃，在12 h内温度波动不到2℃，有效抑制了外界环境对热控过程的干扰。     

高速运载器燃油热管理系统优化

燃油热管理系统设计随着运载器多电化与机载高能电子设备的发展已经得到高度重视,其中燃油的热承载能力是最关键因素。针对喷气推进式高速运载器,提出了一种大范围、多任务的燃油热管理系统多目标优化配置方法,其以热沉利用率最高和燃油质量代偿损失最小为目标函数,以循环回路的燃油最大质量流量、冷却水携带量和机载热负荷发热量为优化变量,采用改进的遗传算法NSGA-Ⅱ,在不同飞行任务规划下进行双目标优化设计,所获得的目标函数Pareto最优解集,满足预期的燃油热管理系统模式选择原则,且通过分析优化变量与优化目标间的相关性,可以量化燃油热管理系统优化配置准则与可达到的最小燃油质量代偿损失,可应用于支持多热沉重构的机载高效燃油热管理系统。      

PBGA封装芯片热环境适应性仿真分析

针对多数塑料焊球阵列（PBGA）封装芯片仅依据美军MIL标准进行高低温交变测试致使预测服役寿命偏差较大的情况，将微控制芯片任务状态时间谱转化为环境温度载荷谱，在综合考虑热传导、热对流的情形下，利用icepak完成芯片热电耦合仿真分析，并借助于Transient Thermal及Transient Structural完成芯片结温的获取及焊点应力、应变的计算求解。同时，依据Arrhenius模型及修正Coffin-Manson热疲劳模型分别预测芯片本身及焊点的寿命，从而实现对其热环境适应能力的定量分析。仿真结果表明:芯片的预测寿命约为6.26年，寿命预测偏差约为13.4%，符合GJB 4239-2001中单个关键环境因素预测寿命偏差标准，能够较为精确地反映其热环境适应性。      

力矩输出能力最优化混合执行机构操纵律设计

当航天器执行高动态敏捷机动或者姿态动态跟踪控制等任务时，常使用控制力矩陀螺（control moment gyroscope，简称CMG）和飞轮（reaction wheel，简称RW）构成的混合执行机构来提供大力矩。提出了基于力矩输出能力最优化的混合执行机构操纵律，从几何角度出发，给出了力矩输出能力最优的CMG框架角速度和RW角加速度，通过引入参数，并讨论参数的设置的最优，使得框架转速误差和输出力矩误差的混合二次型达到最小，保证了混合执行机构在输出力矩误差最小的情况下，力矩输出能力最优。以金字塔构型的CMG集群和正交的RW集群构成的混合执行机构为例，对基于力矩输出能力最优化的混合执行机构操纵律进行合理化分析，证明了引入参数的作用，并且证明了混合执行机构不存在CMG奇异情况。仿真结果表明，基于力矩输出能力最优化的混合执行机构操纵律解决了CMG奇异的问题并使得RW不陷入饱和，输出力矩误差较小，输出力矩能力强，能够应用于航天器大角度机动任务。     

新型聚乙烯醇/聚乙二醇水凝胶热沉性能研究

为研究水凝胶作为热管理技术的可行性和潜力，采用物理循环冷冻法制备一种力学和经济性良好的新型聚乙烯醇（PVA）/聚乙二醇（PEG）复合水凝胶热沉，热沉尺寸为60 mm×60 mm×2 mm,通过表面的水分蒸发来实现自冷。在2 712 W/m2热流下进行散热性能探究实验，得到了升温特性、蒸发对流强度变化关系和溶胀变化规律。发现加入2.5%质量分数的PEG减小了随循环冷冻次数增加造成的制备变形，减小了75.53%的含水量衰减，同时使芯片表面控温下降7.53%。根据实验结果计算得到了蒸发换热系数，并研究了热流、厚度和湿度对蒸发散热的影响。通过对水凝胶不同温度和使用情况（4 h连续使用及120 d常温储存）下溶胀率的测定，证明水凝胶具备一定的短时使用可靠性，但对温度的敏感响应并不显著。     

环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响

针对电动汽车冬天取暖能耗较高,设计了基于蒸气压缩循环的热泵空调试验系统,研究了制热模式下不同的环境温度和压缩机转速对车室内平均温度、高压管路内部工质的温度和压力、系统能效比(COP, Coefficient of Performance)等参数的影响.试验结果表明,当环境温度和压缩机的转速较高时,压缩机出口、车室内换热器出口处工质的温度和压力值较大,车室内平均温度的上升速度越快,达到舒适温度所需的时间越短.在压缩机转速相同时,环境温度越高,系统的COP值越大.     

微重力条件下热管吸热器瞬态热分析

基于微重力条件下的导热控制微分方程,采用焓法对热管吸热器相变材料容器进行了二维数值建模与仿真,在同时考虑空穴和相变的情况下,对微重力条件下蓄热单元相变传热进行了模拟计算,分析了空穴率对蓄热容器内部的温度场和热性能的影响,并将计算结果同美国航空航天局（NASA）方案热管吸热器蓄热单元相变传热计算结果进行了比较,验证了文中微重力条件下计算模型的合理性与准确性。研究结果表明：空穴影响着蓄热单元相变的进程,空穴的存在增加了容器内部的温度梯度,使得容器的蓄热能力降低;由于热管径向温差较小,热管壁温在相变材料熔点附近变化较小,从而在一定程度上能缓解热斑和热松脱现象。