容器单元表面热辐射率对吸热蓄热器的影响

吸热/蓄热器是空间太阳能热动力发电系统关键部件之一,主要作用是吸收太阳入射热流和蓄热。由于吸热/蓄热器内换热管各容器单元表面温度不同,热流通过热辐射重新分布,所以容器单元的表面热辐射率将很大的影响吸热器的热性能。通过太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型,结合换热管的传热模型计算吸热器的传热过程。计算得到了两种典型的换热管表面热辐射率下吸热器的能量损失、工质吸收能量、换热管最大温度,工质出口温度等结果,进行了比较分析,说明了表面处理对于吸热器热性能的重要性。计算结果可以用于吸热器的设计。      

空间发电系统热管式吸热器热性能分析

为了提高吸热器的热性能、降低吸热器的质量,将热管用于空间太阳能热动力发电系统的吸热蓄热器,建立了相应的物理和数学模型,给出了数值求解方法,计算了蓄热容器最高温度、热管最高壁温、工质出口温度、相变材料(PCM)熔化率等参数,并与基本形吸热器进行了对比,验证了PCM的储热能力,减小了工质气体出口温度的波动。计算结果可用于吸热器的设计。      

先进太阳能热动力发电系统吸热/蓄热器研究

先进太阳能热动力发电系统研究目的是提高系统的效率,提高功率/重量比,为将来太阳能热动力发电系统在空间的广泛应用打下基础。通过对四种先进太阳能吸热/蓄热器的结构、性能及其设计进行分析评价,为进一步研究有发展前途的新型吸热器/蓄热器提供了参考依据。分析研究结果表明采用热管吸热器作为先进太阳能热动力系统吸热/蓄热器,大大减轻了系统质量,具有良好的应用前景。      

空间站太阳能蓄热/吸热器轻量化研究

为了降低太阳能热动力发电系统中关键部件吸热器的质量,在NASA2kW吸热器样机的基础上建立了吸热器的物理和传热过程及流阻的数学模型,编制了吸热器传热及质量计算的数值模拟程序,分析了结构参数和特性参数对质量的影响。结果表明,在一定的设计要求下,合理的选取工质传热管的直径和数目、能量转换单元的转速、压缩机入口温度和回热器回热度等参数,可以明显降低吸热器质量的影响,为吸热器的设计提供了理论依据。      

空间站太阳能吸热器蓄热性能地面模拟试验

利用相变材料 (PCM)的熔化潜热来蓄热可以保证空间站太阳能热动力系统在轨道的阴影期内仍能连续发电。针对这一核心技术 ,建立了空间太阳能吸热 -储热器单元换热器地面模拟实验台。在模拟轨道条件下 ,对不同入射热流、不同工质进口温度及不同工质流量进行了多种组合测试。结果表明 ,单管工质气体的出口温升在轨道的日照期和阴影期都达到了预期的要求 ,相变材料容器的最高温度和平均温度都处于材料的安全范围内。     

不同空穴位置下固液相变换热过程的差别

高温蓄热技术是空间太阳能热动力发电系统的关键技术之一。固液相变潜热蓄热是通常采用的蓄热方式。大多数盐类相变材料由液态转变为固态时体积会收缩,在其容器内形成空穴。空穴的存在增大了热阻,从而影响相变换热过程。通过数值模拟计算,分析了两种不同的空穴位置下固液相变换热过程的差别。     

蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统换热特性数值模拟研究

本文通过三维数值模拟研究蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统的蓄/释热特性和推进性能。在蓄热式太阳能热推进系统工程模型的基础上,通过射线光学的光路分析验证了聚光器设计的合理性,并获得吸热腔壁面能量分布情况,进一步研究了相变蓄热过程的影响因素。基于场协同原理对热光伏再生冷却结构进行了优化设计,使热光伏具有较好的散热特性,提高发电功率;通过整机流动换热仿真,分析了工质流体在推进器内部的换热情况,计算结果表明,蓄热式热推进器具有达到734s比冲和0.9N推力的推进性能,以及能够满足日蚀区微小卫星的供电和推力需求。     

高温相变单元管蓄热过程数值模拟

对以高温共晶盐 Li F-Ca F2 为相变材料 (PCM)和以干空气为工质的相变蓄热系统 ,采用焓方法建立了以控制体单元为对象的单管相变蓄热模型。在模拟空间站太阳能吸热 /储热器轨道运行参数下进行了数值计算。计算结果与地面模拟试验数据进行了比较 ,吻合良好。     

空间发电系统热能储存容器的二维模型

高温熔盐相变储热是空间太阳能热动力发电系统的关键技术之一。基于微重力状态下的传热控制微分方程, 采用焓法对相变材料容器进行了二维数值分析。建立了一种新的空穴模型, 改进了以往的模拟计算, 对计算结果给予了讨论。      

改进型相变蓄热容器的蓄放热实验(英文)

泡沫镍以其独特的多孔结构而具有优异的性能,可以用来改善固液相变蓄能装置中的空穴分布及传热性能。本文在理论研究基础上设计制造了填充泡沫镍的改进型固液相变蓄热容器,与未填充泡沫镍的蓄热容器一同进行了相变蓄热试验,在不同蓄热温度下进行蓄热实验,研究了蓄热温度对PCM熔化时间的影响。利用铂电阻(PT100)和数据采集模块(ADAM-4000)测得了实验中各蓄热容器的温度变化数据,实验后利用CT扫描得到了容器内部的空穴分布图像。通过对比研究两种容器的温度变化和空穴分布,证明了填充泡沫镍能够有效改善固液相变过程中的空穴分布和传热性能,研究结论对于固液相变蓄热技术的应用具有一定指导意义。     

容器热物性参数对蓄热系统性能影响的数值研究

建立了分析潜热蓄热系统蓄热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.其中考虑了容器壁面的导热,且相变传热只考虑导热模型,对相变材料(PCM)相变过程的求解采用解耦法计算模型.对几种不同材料容器内PCM熔化过程进行了数值计算比较,结果表明,容器材料的导热系数、比热容和密度等热物性参数对PCM的熔化有很大的影响.此外还对不同初始温度和边界壁温对PCM熔化的影响进行了数值计算.所得结论对潜热蓄热系统的热性能及其优化设计有一定的指导作用.      

相变调温服相变传热研究(英文)

为了研究相变调温服的热防护性能,介绍了人体热调节模型,利用焓法建立了相变传热数学模型。在整个区域建立统一的能量方程,采用控制容积有限差分法对方程进行隐式离散,用追赶法求解方程组得到各节点的焓值,求出相变材料内表面的温度。通过相变调温服人体热调节模型,计算出人体的动态温度分布及出汗量。计算结果表明,核心温度的变化与试验结果相符,出汗量相差不大,所建相变传热模型合理可靠。通过比较人体穿着相变调温服和未穿该服装时的动态温度分布及出汗量,可以看到穿着相变调温服能显著地减轻人体的热负荷。     

Thermal performance of a 3D printed lattice-structure heat sink packaging phase change material

Thermal storage technology is becoming more and more significant with the increase of high-power equipment in space applications. In this paper, 3D printing technology and Phase Change Material (PCM) were combined into a Thermal Energy Storage (TES) system, which could fulfill the requirements of light weight and high thermal conductivity. A 3D-printed lattice-structure TES plate with N-tetradecane as the PCM and aluminum alloy as the thermal conductivity enhancer was manufactured, and experimentally tested in a thermal vacuum chamber. In addition, a simplified simulation model of the lattice cell was established to clearly analyze the heat transfer process of the TES plate. The effects of initial temperature distribution and heat load gradient on the thermal storage performances were investigated experimentally and theoretically. The equivalent thermal conductivity of the 3D-printed lattice-structure TES plate turns out to be 13 times of the pure PCM thanks to the aluminum skeleton. The heat transfer enhancement appears at the end of the phase change stage due to the sudden mixture of the PCM with different temperature. The simulation results agree well with the experimental data. The equivalent thermal conductivity obtained by the phase change simulations are a little higher than those of the experiments, which is mainly caused by the initial uneven temperature distribution in the tests. Additionally, the effects of non-uniform heat load and the presence of the PCM in the TES plate are studied. This work successfully validates the feasibility and effectiveness of 3D printing technology and TES technology for the temperature control in space applications.     

再入钝锥体烧蚀热防护内部热响应的数值仿真

研究了烧蚀热防护系统内部热响应的计算模型和计算方法.采用碳化层-热解面-原始材料层模型,建立碳基材料内部热响应物理模型和数学模型,利用有限元法分析和计算再入目标热防护系统轴对称内部热响应.着重研究和分析了轴对称烧蚀过程中热解气体质量流率计算方法和传热机制.将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过保证刚度矩阵和形函数矩阵的正定对称性可以加速温度场计算收敛.计算表明:热解气体的质量流量主要由厚度方向构成,占80%以上;头部驻点附近最大烧蚀厚度接近10mm,需要采用抗烧蚀能力强的碳-碳材料,身部烧蚀量小于2mm,可以采用密度较小的碳-酚醛材料.      

金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热分析

采用能量平衡方程和两热流密度近似法建立了金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热的数学模型,并利用测量多层隔热材料单元的有效导热系数的实验和遗传算法对纤维隔热材料的辐射衰减系数和隔热屏表面辐射发射系数这两个热物参数进行了优化,最后用实验测得的多层隔热材料的有效导热系数验证了采用优化后参数的多层隔热材料的稳态传热模型的正确性.