一种紧凑式喷雾冷却系统的传热特性仿真分析

喷雾冷却被认为是一种潜在的航天器热排散技术。文章提出了一种紧凑式喷雾冷却系统,并分别对该喷雾冷却系统中的发热壁面、蒸汽冷凝器及液体冷却器三个主要部件建立传热模型,编制喷雾冷却系统传热特性仿真程序。利用该仿真软件,研究了壁面加热升温过程的系统运行特性及蒸汽冷凝器冷凝水流量对喷雾冷却系统运行特性的影响。该工作对理解喷雾冷却的系统运行特性及下一步的工程应用奠定了一定的理论基础。     

封闭式喷雾冷却传热特性的实验与理论研究

喷雾冷却是一种高效的高密度热流散热方式,在空间热控领域具有重要的应用前景。本文基于液膜动力学、气泡动力学和传热学的基本原理,建立了描述喷雾冷却传热特性的理论模型,模型分析结果和实验结果吻合良好;利用实验研究和模型模拟相结合的方法,对以水作为工质的封闭喷雾冷却系统的加热面温度分布、冷却曲线等特性进行了分析,分析结果显示,在封闭式喷雾冷却系统中,被冷却表面也仍然存在着温度分布的不均匀性,但是其最大温差小于5℃;由于喷雾腔内压力较低,喷雾曲线基本上处于两相区内,其换热能力远远高于常压下的换热能力。     

三组元空气加热器的缩尺试验研究

为了突破冲压发动机地面试验系统关键组件空气加热器稳定燃烧的关键技术,提出了一种液氧/酒精/空气三组元高效稳定的组织燃烧技术,对该加热器技术方案进行了缩尺试验研究,并验证了不同的空气流量比例对加热器点火特性和燃烧特性的影响.试验表明,该加热器具有点火可靠、启动迅速、燃烧稳定和大范围变工况的工作能力以及燃烧效率最高达到0.98的燃烧特性.研究发现,当加热器的空气流量比例由40％增加到70％时,并没有对点火启动特性和燃烧稳定性产生不利的影响,但是引起燃烧效率下降了0.03.从侧面验证了在液体火箭发动机燃烧器中增加少量的空气可以提高燃烧稳定性和燃烧效率.     

一种无加热器的电推进用空心阴极

电推力器在国际上已得到广泛应用.目前应用的电推力器,启动时间较长,无法用于需要快速响应的场合.空心阴极是造成电推力器启动时间较长的根本原因.无加热器阴极是一种新型空心阴极,可使得电推力器的启动时间缩短至1 s之内,大大提升电推进系统的响应特性,而且还可以提高电推进系统的稳态工作性能和可靠性.本文介绍无加热器阴极的基本工作原理和应用优势,详细论述无加热器阴极的研究进展,提出突破无加热器阴极技术需要攻克的关键技术.     

空气加热器声学振荡特性的数值计算

为研究空气加热器的声学振荡特性并为其设计和后续的试验方案提供借鉴,对空气加热器不同喷嘴位置处的喷雾火焰形成的声学振荡进行了数值仿真,重点研究了多个离散点处的不稳定特征以及燃烧室内的流场演化过程。仿真结果捕捉到了燃烧不稳定的典型特征,如起振、线性增长、稳定极限环;非稳态流场直观地展示出喷注面板中心位置处的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成二阶横向声学振荡,并且这种振荡形式具有从喷注面板向喷管入口传播的行波特征;离面板中心53.6mm的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成一阶横向声学振荡,这种振荡形式没有明显的行波特征。     

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。     

基于MEMS的微槽冷却系统在微纳卫星热控中的应用

介绍了基于微机电一体化系统(MEMS)的微槽冷却系统的研究成果。分析了将微槽冷却系统用于微纳卫星热控设计时的特殊要求。讨论了表征微槽冷却系统性能的水力学系统和传热性能。理论分析和数值模拟结果表明,微槽冷却系统可使大热流密度的热源芯片温度维持在较低的范围内,能满足微纳卫星热控的要求。研究认为,压降和热阻均较小的深槽可在小泵功率时提供较优的传热性能。     

冷气发动机系统动态特性仿真研究

采用模块化建模方法,将冷气发动机划分为减压阀、管路、容腔和喷嘴等模块,建立了发动机系统模块化数学模型。对发动机启动过程和脉冲工作状态下的响应特性进行了仿真研究,仿真结果与试车结果相吻合,验证了所建立的数学模型的正确性。仿真计算结果还表明：安全阀的开启性能和减压阀动作的灵活性等都是影响冷气发动机动态响应特性的主要因素。提出了改进发动机工作性能及可靠性的措施。     

N2O/C3H8发动机气液同轴离心式喷嘴喷雾性能数值模拟研究

采用数值计算方法对氧化亚氮/丙烷（N2O/C3H8）发动机样机气液同轴离心式喷嘴的喷雾性能进行了研究,得到了环缝外喷嘴气相喷注压降和内喷嘴缩进深度对离心式喷嘴喷雾流场的影响.分析结果表明,较低的气相喷注压降（＜0.3 MPa）会显著的影响液滴在流场中的蒸发速率以及流场流强、混合比、索太尔平均直径（SMD）和n值的分布;气相喷注压降从0.3 MPa增加至0.6 MPa,稳定喷雾流场液滴SMD和n值分别在2.41～1.68,2.03～0.98范围内变化并逐渐减小.内喷嘴缩进深度从0 mm增加至6 mm,稳定喷雾流场液滴的SMD和n值受其影响较小,均分别在1.70～0.94,2.36～0.99范围内波动.喷嘴的最佳燃烧区主要分布在下游轴向位置0.015～0.035m范围内并随着气相喷注压降的升高和内喷嘴缩进深度的增大逐渐靠近喷嘴出口.该设计喷嘴在发动机热试实验中表现出很好的性能.     

闭式脉动热管启动性能的实验研究

实验研究了以乙醇为工质的闭式脉动热管在不同工况下的启动性能,分析了充液率、倾斜角、热负荷对脉动热管启动性能的影响。研究发现脉动热管具有两类启动方式:温度飞升式启动和温度渐进式启动。脉动热管启动性能最优的最佳充液率范围在41%～52%之间。相同热负荷下,随着倾斜角在0°～90°范围内逐渐增大,热管启动性能将得到改善。随着热负荷的增大,启动时间缩短但最高启动温度随之升高。     

微小航天器单相流体回路自主热控地面实验研究

单相流体回路是解决微小航天器热控问题的一种重要手段,但是由于其内热源功率密度高、轨道热环境变化复杂,要求其具有高度自适应控制能力。为满足开展微小航天器单相流体回路自主热控研究的需要,提出了一种单相流体回路核心部件-微机械泵的PWM控制策略及实现算法,设计并搭建了其地面等效模拟实验装置,实现了该单相流体回路包括微机械泵驱动电压-压差输入输出关系、热源载荷变化及微机械泵转速变化的开环动态特性实验研究,并在此基础上完成了所提出的单相流体回路自主控制方法控制效果的地面等效模拟实验研究,达到±0.5℃以内的自主控温效果。该控制策略除了可以实现高精度自主控温以外,由于机械泵功耗基本上与热载荷成正比,还可以减少热控系统运行能耗,因而在能量供应有限的微小航天器上具有广阔应用前景。     

基于机械泵控制的毛细分离式喷雾冷却回路热控系统仿真分析

文章分析用于空间环境下的毛细分离式喷雾冷却回路热控系统原理,通过节点网络法建立该热控系统4节点热网络模型;运用数值仿真方法,以机械泵为控制对象,对该系统分别采用PID控制和模糊增量控制方案的热控效果进行对比。结果表明,模糊增量控制与PID控制相比,超调量较小且达到稳态时间短,具有良好的控制鲁棒性。     

HFC134a喷雾闪蒸冷却换热特性的实验研究

喷雾闪蒸冷却由于可以在较小的工质流量下实现很高的散热能力,在高热流密度散热、航天器热控和热防护等领域具有广阔的应用前景。本文建立了喷雾闪蒸冷却实验系统,对环境压力下以HFC134a为工质的喷雾闪蒸冷却换热特性进行了实验研究,得出了喷雾闪蒸冷却的换热特性曲线、临界热流密度(critical heat flux,CHF)以及被冷却表面温度随喷雾高度和流量的变化曲线,分析了适用于热控的最佳喷雾高度和流量。     

多辐射器航天器热控流体回路布局的(火积)耗散分析

为了优化多辐射器航天器热控流体回路布局，提高流体回路的散热效率，降低流体回路温度，本文基于(火积)理论，分别对多个辐射器串联和并联的流体回路布局的散热进行了分析。结果表明，排散相同热量时，流体回路的流体与管路壁面之间的温差均匀性越好，流体回路散热过程(火积)耗散越小，系统散热过程越优。进一步，对于2个辐射器的情况，分别对辐射器设置了不同的空间辐射加热热流，对辐射器的流体回路布局方式进行了比较。结果表明，辐射器与流体回路串联时，系统散热性能要优于两者并联，系统的流体温度水平最低，结果与(火积)理论分析的预测完全一致。研究结论对多辐射器的航天器热控流体回路设计具有指导意义。     

单相流体回路地面试验研究

为了对流体回路系统设计参数确定提供指导,通过地面试验方法,研究了低温和外界环境变化时单相流体回路的阻力特性、工质补偿、控温算法等。介绍了地面试验系统的组成、试验方法和相关试验结果,并重点对外界环境突变时的控温结果、控温目标点与控温装置作用点分离时的控温震荡以及低温下补偿器的补偿能力测试结果进行了分析。试验结果表明,在外界环境剧烈变化时会出现温度过冲,过冲可达到10 oC;此外,由于控温点和控温装置作用点的分离引起的相位差,会导致系统控温失败。这些结果对载人航天器流体回路的泵、换热器设计以及工作状态分析具有一定的参考作用。     

国外调温热沉研究现状及技术发展

调温热沉是开展相关空间环境模拟试验的必备技术手段。文章探讨了调温热沉在空间环境试验中应用的优点、前景及必要性;通过对国外调温热沉的研究应用情况进行总结,分析了调温热沉的一些主要设备及技术要求,包括高低温泵与风机、液氮换热器和液氮喷射器、电加热器等,还介绍了各种制冷技术的原理和适用范围以及导热液性能要求。最后对我国开展调温热沉研制工作提出了建议。     

高温风洞收集口喷水降温数值仿真研究

针对高温风洞中扩压器前段壁面防热问题，提出对高温气流外缘喷水降温的方法。通过在收集器入口与喷管出口间安装喷水环，利用液态水汽化吸热对高温气流进行降温，使扩压器壁面形成低温保护层。为了解该方法降温效果，本文利用DPM、组分输运等模型的耦合建立了超声速两相流CFD模型，对向超声速热气流喷水进行降温的过程进行了数值计算，计算结果表明，扩压器启动后有显著的降温保护效果。同时，为探索风洞排气背压和喷水量对风洞流场和壁面降温效果的影响，通过计算得出了变排气背压、变喷水量与降温效果之间的关系，为高温风洞收集口喷水降温装置的优化设计提供了参考。     

金属氢化物冷源传热传质分析

为了验证冷源系统是否能满足出舱航天服的需要，本文针对一套开放式金属氢化物冷源系统，建立数学模型，对其制冷和再生阶段的传热传质过程进行了分析。研究结果表明，金属氢化物热泵能够满足宇航员出舱活动中的散热要求，其体积与水升化器相当，质量损失小，并且能够通过控制反应床的压力调节出口水温，可控性良好，而在返回舱内后，调节冷却水流量，反应压比，可以使氢化物在30min内再生。     

Design, performance, and experiment capabilities of the AGHF: ESA''s advanced gradient furnace for spacelab

AGHF is a Bridgman Furnace Facility for directional solidification experiments in microgravity environment with very well controlled heater temperatures up to 1400°C. A laboratory model and an engineering model exist, the flight model will be built at the end of 1991. The furnace uses heater elements made of W-Re wire wound on a solid TZM heat diffuser, diffuser temperature control by Pt/PtRh thermocouples to ±0.2 K, and a water cooled cooling zone regulated by a thermostatic valve to ±0.3 K. AGHF experiments use front loaded cartridges, which can use conductive coupling to the cooling zone by a liquid metal ring or radiative cooling. The laboratory model furnace, mounted in a dedicated vacuum chamber with peripherals controlled by a commercial computer, was intensively tested up to 1400°C, as specified for the AGHF by ESA, and at 1500°C in a life test under a technology development programme of ESA. Notable laboratory model results are gradients of 95 K/cm in solid Ni of 18 mm dia, with conductive cooling zone coupling by liquid metal, and 70 K/cm with radiative cooling in ZrO₂. EM test are not yet complete, but first tests indicate similar or better results, especially of gradient constancy vs pulling stroke over 140 mm. The first heater model sustained 400 h at 1000°C, 800 h at 1300°C, and 400 h at 1500°C.     

单相流体回路安全性设计

结合国内外单相流体回路设计的一些经验和方法,从单相流体回路系统安全性设计的角度,重点介绍利用回热换热器进行流体回路工质防冻的原理、采用真空脱气技术在工质加注前进行工质处理的方法、利用膨胀节等部件进行系统压力控制的方法以及流体回路防静电设计方法,并给出了设计实例。对提高深空探测器、空间站等长寿命、复杂工况下流体回路系统的设计安全性和可靠性具有一定的参考价值。