航天领域蒸汽压缩热泵技术研究进展

蒸汽压缩热泵是未来大型航天器热控系统和制冷设备的新方案。介绍了国际上的研究情况,阐明了此技术的优越性和可行性。分析了航天用蒸汽压缩热泵的关键技术,包括微重力相变换热器及其研究方法、无润滑高转速压缩机等。在此基础上给出了中国开展航天领域蒸汽压缩热泵的研究方案。     

倾斜角度对滑片压缩机运行特性影响的试验研究

压缩机是空间蒸汽压缩热泵系统的关键,从现有的压缩机中筛选合适的压缩机,研究其重力影响特性并加以改进是技术路径之一。通过改变滑片式汽车空调压缩机的倾角,研究重力方向对热泵系统及压缩机运行的影响。结果表明当倾角为0°~360°,吸热量为2000~3500 W时,热泵系统均能正常工作;其中压缩机处于竖直和倒置的角度下,热泵系统性能有所下降,蒸发温度最大增加了7.5℃,蒸发冷凝温差和COP的最大相对变化量分别为15%和7.6%。压缩机内部高压气体通过油孔向低压侧的泄漏造成容积效率的下降,是影响其性能的主要原因;但油孔供油功能的下降没有明显影响压缩机的机械效率。     

燃气- 蒸汽联合循环性能计算平台界面开发

为实现联合循环机组的快速设计、性能优化及分析,基于热力学定律,采用面向对象及混合编程技术开发了燃气-蒸汽联合循环机组热力性能计算平台。针对燃气-蒸汽联合循环系统流程结构,运用Fortran语言编译了联合循环热力性能计算模块,并借助混合编程技术与C#界面程序实现对接,完成软件界面的编译。提出界面的整体架构及类的实现与继承,构造出窗体类、计算接口类及灵敏度分析接口类,实现了所开发软件的性能计算功能。该软件能快速开展循环方案设计、优化及变工况的性能分析等工作,为机组的设计和优化提供有益指导。     

蒸汽压缩式制冷系统在航空中的应用

通过对空气压缩式、蒸汽压缩式、热电制冷3种制冷系统的比较，提出蒸汽压缩式制冷系统是最适合应用于制冷量需求较大的航空电子设备，并着重介绍了蒸汽压缩式制冷系统的工作原理、关键技术及其优越性。     

舰船燃一蒸联合循环的稳态与动态特性分析

燃气-蒸汽联合循环（COGAS）是提高燃气轮机经济性有效途径之一。对舰船燃-蒸联合循环系统建立了数学与仿真模型,对其性能进行分析。由分析结果可知,在高或低工况下,燃气轮机采用燃-蒸联合循环后,其效率都显著提高。     

国外飞机综合环境控制系统

本文主要介绍了F-22战斗机的综合环境控制系统,着重阐述其蒸汽循环系统、液冷回路和热管理系统及各自的组成、工作原理和功能。     

进气畸变对发动机压缩部件气动稳定性的影响

发展了一种在发动机环境下评定航空涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的数学物理模型。压缩系统模型采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程以及激盘-滞后-容积的压气机级模型，稳定性模型则采用了对整个压缩系统统一判别的方式。计算过程与发动机非设计点性能计算相关联，使得压缩系统稳定性分析在真实的发动机运行环境（调节规律）下进行。研究了进气畸变对航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的影响。对总压畸变进气条件下压气机稳定工作边界的变化进行了计算分析，结果表明，进气总压畸变对发动机稳定性有很大的影响，使得压气机稳定工作边界在压气机的特性图中向右下方移动，降低了发动机的喘振裕度。发展的数学物理模型可以正确地反映发动机压缩系统的工作状况，用它判断发动机不稳定工作点的重复性和灵敏度都比较好。     

带经济器的飞机蒸发循环制冷系统方案研究

针对飞机蒸发循环制冷系统提高性能、可靠性和经济性的需求,本文对带经济器的蒸发循环制冷系统进行了研究,包括工作原理分析以及热力循环分析,并对不同形式带经济器的蒸发循环制冷系统以及传统单级蒸气压缩制冷系统进行了模拟计算,从系统性能和系统代偿损失两方面对几种系统方案进行了对比分析。结果表明,闪发器前节流系统性能和代偿损失均为最优,可有效提高系统在低蒸发温度下运行时的性能,提高系统的工作可靠性和经济性。     

核电管路应力校核及分析

<正>核电厂中,一些高温高压蒸汽管道在高温高压工况下存在较大幅度的晃动,管道常年不停歇的运行对整个管系产生严重影响并形成疲劳和破坏损伤。管系的安全关系到核电站的正常发电运转,其内部蒸汽的温度压力变化较大,当发生破坏或泄漏时,不仅影响核电站整个冷却循环系统功能的实现,还会给核电内其他系统带来影响,造成严重后果。核电站高温高压蒸汽管路数目众多,布置较为复杂,对管道进行安全性分析是保证管道安全的基础。因     

MHD-Arc-Scramjet联合循环发动机的性能分析

以MHD-Arc-Scramjet联合循环发动机为对象开展性能分析,探讨了能量旁路系统对发动机性能的影响,给出了MHD-Arc-Scramjet联合循环发动机相对于传统冲压发动机的单位推力差异。结果表明:电子束电离消耗的能量,能量旁路比例,电弧注入过程的最高温度以及进气道的压缩程度是能量旁路系统中影响发动机单位推力的主要因素;在这些参数的取值范围内合理取值,并兼顾材料和技术实现等约束,性能分析表明:在来流速度2 800~4 000 m/s范围内MHD-Arc-Scramjet联合循环发动机相对传统冲压发动机具有明显的单位推力优势。     

氢氧烃三组元发动机燃烧室传热、流阻初步分析

本文对几种发动机的冷却作了分析比较,指出使用铜锆合金是高压大热流发动机的必然要求.对大推力氢氧烃三组元试验发动机燃烧室的传热分析表明:热流仅相当于相同推力氢氧双组元发动机的1/3～1/2,热壁温低于800K,完全满足设计要求,但流阻较大,对氢泵不利.     

新型半发散结构的冷却特性参数研究

根据席壁冷却的传热模型, 采用数值迭代法, 对席壁的冷却特性参数即壁面热效率和壁面温比进行了计算。结果表明, 席壁的冷却特性参数主要受壁面多孔度和冷却剂热容数的影响, 边界换热条件的影响不显着。与已有的实验数据相比较, 计算结果与之基本符合。      

Effects of chemical energy accommodation on nonequilibrium flow and heat transfer to a catalytic wall

The accurate prediction of the aeroheating performance of hypersonic vehicles requires more detailed modeling of the catalysis process, rather than merely employing a catalytic coefficient. In this paper, the theoretical modeling, as well as the direct simulation Monte Carlo method, is used to preliminarily study the incomplete chemical energy accommodation effects, that is, only a part of the potential energy released in the heterogenous recombination reaction is transferred to the surface, while the remaining is retained as the vibrational energy of the desorbed molecule. An integrated model is proposed to describe the contribution of each energy mode in the rarefied nonequilibrium heat and mass transfer process. Based on the model and several Damköhler numbers, an analytical formula is derived, and is also shown to compare well with the numerical results. On account of the incomplete accommodations of the chemical and vibrational energy on the wall, a variation up to 20% is observed in predicting the stagnation point heat flux under typical nonequilibrium flow conditions. This study could enrich our understanding of the nonequilibrium heat transfer phenomenon and also shows a potential practical value.     

多斜孔气膜冷却壁表面换热系数实验研究

采用恒热流法,对４种不同结构实验板的多斜孔气膜冷却壁表面换热系数进行了实验研究,研究的主阿影响因素有：吹风比、孔排列方式、孔间距和孔排距等,实验主流雷诺数约为１７０００,吹风比Ｍ＝１￣４。实验结果表明：引入气膜冷却使表面换热系数明显增强;单一实验板换热随吹风比增大而增强;在相同单位面积开孔率情况下,列间距的影响大于排间距,即列间距越小换热越强。     

环形散热器的动态性能

 利用热阻热容概念近似描述环形散热器微元段上的动态特性,加上热平衡条件,从而推导出整个环形散热器动态数学模型。只要在微元段上选取适当的节点数,该模型就可以满足任意精度之要求。借助于计算机并使用有限差分法,对环形散热器的动态性能进行了数值计算,理论计算结果与空中飞行试验数据吻合较好。还给出了环形散热器芯体在某一状态下的温度分布,作为动态响应计算的特例,最后计算了此状态下环形散热器稳态性能,其结果与对应的试飞数据比较令人非常满意。     

Experimental investigation of surface roughness effects on flow behavior and heat transfer characteristics for circular microchannels

This paper experimentally investigates the effect of surface roughness on flow and heat transfer characteristics in circular microchannels. All test pieces include 44 identical, parallel circu-lar microchannels with diameters of 0.4 mm and 10 mm in length. The surface roughness of the microchannels is Ra=0.86, 0.92, 1.02 lm, and the Reynolds number ranges from 150 to 2800. Results show that the surface roughness of the circular microchannels has remarkable effects on the performance of flow behavior and heat transfer. It is found that the Poiseuille and Nusselt num-bers are higher when the relative surface roughness is larger. For flow behavior, the friction factor increases consistently with the increasing Reynolds number, and it is larger than the constant the-oretical value for macrochannels. The Reynolds number for the transition from laminar to turbu-lent flow is about 1500, which is lower than the value for macrochannels. For the heat transfer property, Nusselt number also increases with increasing Reynolds number, and larger roughness contributes to higher Nusselt number.     

热防护系统高温纤维隔热毡传热及有效热导率分析

针对重复使用运载器热防护系统纤维隔热毡内部导热和辐射的耦合换热问题进行了分析,应用有限差分法建立了纤维隔热毡的数值分析模型.通过数值求解传热方程,计算了稳态的有效热导率.计算结果表明辐射和气体传导是纤维隔热毡内的主要传热方式,辐射作用随压力和试样密度的增加而降低,在试样温度高的一侧辐射是主要的传热方式,而在温度低的一侧气体传导为主要的传热方式;试样的有效热导率随纤维的平均直径、压力和温差的增加而增加,随试样密度的增加而降低.本文的计算结果与文献中的实验结果吻合较好,可以为纤维隔热毡及热防护系统的优化设计提供理论参考.     

热交换对喷气发动机过渡过程影响分析

给出一种用于估算气流与零部件间热交换对过渡过程影响的方法。利用该方法计算了某双轴涡扇发动机在加速过程中各主要零部件与气流间的热交换随加速时间的变化，各部件热交换对推力响应的影响；计算和分析了该发动机在相同供油规律下“冷”和“热”两种加速过程，估算了典型部件换热面积和质量对加速性的影响。计算结果的分析表明：高温部件与气流的热交换对喷气发动机的过渡过程有不容忽视的影响；相同供油规律下由于热交换使“冷”和“热”加速过程的差异十分显著，“冷”加速过程允许采用补偿供油改善加速性；零部件换热面积和质量的估算精度对加速性有一定的影响，但不显著。     

Parallel algorithm and its convergence of spatial domain decomposition of discrete ordinates method for solving radiation heat transfer problem

To improve the computational efficiency and hold calculation accuracy at the same time,we study the parallel computation for radiation heat transfer. In this paper, the discrete ordinates method(DOM) and the spatial domain decomposition parallelization(DDP) are combined by message passing interface(MPI) language. The DDP–DOM computation of the radiation heat transfer within the rectangular furnace is described. When the result of DDP–DOM along one-dimensional direction is compared with that along multi-dimensional directions, it is found that the result of the latter one has higher precision without considering the medium scattering. Meanwhile, an in-depth study of the convergence of DDP–DOM for radiation heat transfer is made. Analyzing the cause of the weak convergence, we relate the total number of iteration steps when the convergence is obtained to the number of sub-domains. When we decompose the spatial domain along one-,two- and three-dimensional directions, different linear relationships between the number of total iteration steps and the number of sub-domains will be possessed separately, then several equations are developed to show the relationships. Using the equations, some phenomena in DDP–DOM can be made clear easily. At the same time, the correctness of the equations is verified.