局部多孔壁－内腔结构的气动加热瞬态特性

根据超声速飞行器外表面连接结构处密封结构几何特征,以局部多孔壁和内腔结构为研究对象,建立流/固/多孔区域流动和传热过程耦合计算模型,其中多孔区域中运用分布阻力法,流、固区域间换热过程采用准稳态耦合计算方法。经过与相关实验数据进行对比,验证了程序可靠性,并进一步分析在整个长时间瞬态过程中,该密封结构的流动和传热特征,阐明了在瞬态过程中多孔材料等效热流对缝隙壁面的加热作用。研究了有、无多孔材料填充两种情况下缝隙壁面热流分布形态的差异,探讨了缝隙中填充多孔材料对高速流场边界层热气流侵入内腔过程的影响。
     

Convective Motions in Near-Critical Fluids under Real Zero-Gravity Conditions

The results of processing and interpreting the data of joint Russian–French experiments for studying the heat and mass transfer in near-critical fluids are presented. The experiments were carried out with the ALICE-1 instrument during an orbital flight of the Mirstation from September 30 to October 2, 1995 [1]. For such fluids with a point-like source of heat, when they are placed in the field of uncontrolled inertial accelerations of the spacecraft, the influence of thermovibrational and thermogravitational mechanisms of convection on the propagation of the region of optical irregularity is investigated. It is shown that, near the thermodynamic critical point, local heating of the medium leads to generation of either intense thermogravitational convection or averaged vibroconvective flow, depending on the frequency of variations of the microaccelerations. The structure and characteristics of discovered motions are studied. The results of numerical simulations are presented that confirm the conclusion about a possibility of generation of an averaged convective flow of a vibrational type by the high-frequency component of microaccelerations.     

低温流体闪蒸喷雾研究

为了研究低温流体闪蒸喷雾特性,建立了低温流体闪蒸计算模型,并通过试验进行了验证。在欧拉-拉格朗日框架下采用CFD-DPM方法模拟了闪蒸过程的气-液两相流场。研究表明,在闪蒸喷雾形态和温度分布特性方面,数值模拟与试验结果吻合。低温流体喷入低压环境后,在喷嘴出口附近便发生剧烈的闪蒸现象,呈现出巨大的喷雾角,并且喷雾温度急剧下降至环境压力对应的饱和温度;在喷嘴出口附近区域(x/d～40),过热闪蒸占据绝对主导地位,其蒸发速率高出其他换热2个数量级,随着喷雾液滴运动至流场下游,对流换热与热传导逐渐占据主导地位。闪蒸带来的强烈换热导致喷嘴附近可能会发生复杂的气-液-固相变,将会对发动机高空可靠点火带来风险。     

Surface temperature distribution along a thin liquid layer due to thermocapillary convection

The surface temperature distributions due to thermocapillary convections in a thin liquid layer with heat fluxes imposed on the free surface are investigated. The nondimensional analysis predicts that, when convection is important, the characteristic length scale in the flow direction L, and the characteristic temperature difference ΔT₀, can be represented by and , respectively, where L_R and ΔT_T are the reference scales used in the conduction-dominant situations with A denoting the aspect ratio and Ma the Marangoni number. Having had L and ΔT₀ defined, the global surface-temperature gradient ( ), the global thermocapillary driving-force, and other interesting features can then be readily determined. Finally, numerical calculations involving a Gaussian heat flux distribution are presented to justify these two relations.     

减阻航天煤油减阻机理与传热规律数值模拟

在火箭煤油中添加高聚物进行有效减阻已有大量实验研究,但对于煤油流动与传热过程中流场与温度场的分布及机理分析较少,采用CFD方法对火箭煤油减阻机理与传热规律进行三维数值模拟分析,并与普通煤油进行对比。等效黏度模型采用UDF进行编译,其黏性项分别采用非牛顿流体与牛顿流体模型进行处理。数值模拟研究表明,减阻剂的添加使得减阻煤...     

点阵结构空气舵及内部流体热流固耦合研究

开展了钛合金TC4材料激光粉末床熔融(LPBF)工艺研究,在此基础上设计了多孔轻质空气舵模型,并基于有限差分法(FDM),采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,利用流体体积法(VOF)追踪流体自由液面,研究了典型的点阵夹层结构的空气舵内部冷却液动态换热过程的相互影响过程,考虑了冷却液与钛合金材料蒙皮间的耦合传热及湍流换热。结果表明,空气舵的内部流体压强随速度的增加而增加,从而导致流体出口的速度增加。当压强增加到一定程度时,流体的出口以水柱形式喷出。虽然较大的流体速度可以带走较多的热量,但是影响远小于对压强的影响。综合考虑空气舵的服役要求,获得了合适的冷却水入口速度。     

高超声速旋转体气动加热、辐射换热与结构热传导的耦合数值分析

采用流场-热-结构耦合的计算方法,耦合气动加热、辐射换热和结构热传导,互为边界条件进行同步计算,研究了旋转体高超声速的流场和固壁温度分布,并数值模拟了旋转体的外流场和固壁结构温度场的非定常过程。计算结果表明：该数值方法可行,能较好地模拟整个流场和温度场的物理变化过程。     

重力对载人航天器密封舱内空气对流换热影响的数值分析

地面重力环境中进行航天器密封舱内空气通风换热试验时,由于自然对流的存在导致换热量和温度分布与空间微重力环境中的情况存在偏差。文章针对航天器密封舱,建立了舱内空气对流换热的数值模型,利用数值模拟软件对有无重力时典型工况下的对流换热进行了数值模拟及模拟结果的对比分析。分析表明重力对壁面换热量的影响较大,而对空气温度及分布的影响较小;且重力的影响随空气与壁面温差的增大而增大,随通风流量的增大而减小,舱间通风也会减小重力的影响。因此在重力环境中进行试验时需要对壁面换热量进行修正。     

发动机尾焰注水降温数值计算与试验研究

针对火箭发动机尾焰注水流场,组织并实施了火箭发动机系留点火及燃气流场注水降温缩比试验,研究了燃气冲击射流流场和注水作用下两相流场的分布状态以及降温效果。并通过研究在高温高速对流冲击作用下气液两相流的传热和传质理论,在Mixture多相流模型的基础上添加质量和能量源项,建立了多组分气液两相流非定常数值计算模型,通过对比试验结论,结果表明：所建立的数值计算模型具有较高的计算精度和可靠性,能够准确地反映物理现象。利用数值计算模型研究了注水后燃气、液态水和水蒸气三种主要组分在流场中的组成,通过与自由射流对比得到了注水燃气流场的包络线长度与宽度变化,注水对燃气流场降温效果显著。     

组合发动机微细通道氦加热器设计与流动换热

氦加热器是预冷组合发动机中重要的换热器之一,其原理是利用燃气燃烧的热量提高氦气做功能力,进而提升整个循环系统运行效率.研究中首先设计了蛇形管式、瓦片式、辐射式三种微细通道氦加热器.其次,基于FLUENT15.0软件对微细通道氦加热器管内外的对流换热系数和流动阻力进行了研究.对比模拟结果和经典关联式的计算结果,确定了适用...     

三维烧蚀内部热响应数值计算研究

对热解型碳化复合材料三维烧蚀内部热响应数值计算关键技术进行了研究。采用碳化层—热解面—原始材料层模型,将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过有限元法建立移动边界条件下温度场求解方程组,采用Gauss Seidel迭代法计算热解气体质量流量和温度场。同时,研究和分析了三维烧蚀移动边界处理方法以及动网格生成方法。由于每个时间步都需要网格重划,烧蚀热防护数值计算对存储效率和计算效率要求较高,本文研究了内部热响应计算中影响存储效率和计算效率的主要因素,并提出了相应的压缩存储方案和求解方案。计算结果表明,移动边界处理方法准确合理;存储方案的存储效率较高;保持刚度矩阵和形函数矩阵正定对称性可以加快温度场计算的收敛速度。     

V型皱褶芯材夹层结构强迫对流传热与热应力分析

V型皱褶芯材夹层结构与强迫对流冷却相结合,可应用于高超声速飞行器或大功率电子器件承载和散热的多功能设计。文章采用数值仿真方法对强迫对流条件下V型皱褶芯材夹层结构的换热及其产生的热应力进行研究,获得了相应的速度场、温度场及结构热应力分布。结果表明:强迫对流条件下,V型皱褶芯材夹层结构的换热性能明显提高,同时导致较大的压力损失。流体速度场随着几何构型的改变而发生周期性的变化,在结构偏折处波峰一侧流速达到最大,对流换热得到增强;沿着冷却液流动方向,结构与冷却液的温度逐渐升高,并伴随着周期性的波动;皱褶芯材夹层结构的整体换热能力随着入口流速的增大而增强。热流输入侧的面板热应力和变形均较大,结构皱褶部位存在应力集中。     

The Impact of Variable Accelerations on Crystal Growth onboard Spacecraft by the Floating Zone Method

The numerical investigation of the impact of time-dependent accelerations (vibrations) on the flow and heat and mass transfer in the melt is carried out for the case of modeling the crystal growth by the floating zone method under conditions of microgravity that exist onboard spacecraft. The effects of the Archimedean buoyancy force and of vibrations of the free surface of fluid are considered separately. When solving the problem of the effect of the vibrations of the free surface of fluid, the previously obtained data were used. It is shown that vibrations of the free surface have a much stronger effect on the processes under consideration than the buoyancy. Some problems that are related to the newly discovered effects are discussed. The use of vibroprotected systems and a rotating magnetic field can help solve these problems. We plan to continue our investigations in future spacecraft experiments, in particular, at the International Space Station, which is under construction at the moment.     

Eddy currents induced migration of droplets in electrically conducting fluid in microgravity environments

Electrical eddy currents induced migration of droplets, whose conductivity differs from that of surrounding fluid, is analysed. Eddy currents in a dilute suspension under consideration, which fills the dielectric tube, are induced by alternating magnetic field parallel to the tube axis. In the case where the droplet radius is small as compared to the skin depth, the distributions of magnetic fields, currents and electromagnetic forces inside and outside the droplet have been calculated. For small Reynolds numbers, with neglecting inertial and thermocapillary effects and the gravity, the flow of fluids around the droplet and inside it, caused by electromagnetic forces, has been studied. The formula is obtained, which relates the droplet migration velocity to the electro-magnetic field, the droplet size and physical properties of fluids.     

固体火箭发动机点火瞬时内流场轴对称数值分析

应用流体计算软件(FLUENT),通过UDF(用户定义函数)编程,考虑了辐射热量的影响,对固体火箭发动机点火瞬时内流场进行了轴对称数值分析,得出了点火瞬时的压强．时间曲线、各时刻的流场和推进剂燃面上的辐射热量。从具体数值上分析了辐射热量对点火瞬时的影响。研究结果表明,该方法可较好地预示点火瞬时的内流场和压强变化情况。     

V型皱褶芯材夹层板对流换热性能评价及优化

为考察主动冷却式一体化热防护结构用V型皱褶芯材夹层结构的性能，文章采用Fluent软件模拟受恒定热流载荷皱褶芯材夹层板在强制对流条件下的传热过程，分析其换热特性和流道内流体流动规律；并在分析皱褶芯材夹层板中正三角和倒三角2种流道换热性能差异的基础上，提出相邻流道流向相反的改进方案。该方案可提高冷却剂的利用率，使结构温度分布更加均匀。相比于具有相同几何参数的波纹芯材夹层板，皱褶芯材夹层板具有更好的换热性能，但同时以更大的当量密度和进出口压降损失为代价。比较几种常用的热效率指标，并定义了一种同时考虑换热性能、泵功率和结构质量的热效率指标，再分别以不同的热效率指标为目标函数，对皱褶芯材的几何参数L、W和S进行初步优化设计。     

高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型,建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM),空间离散采用二阶迎风TVD格式,对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算,将数值结果与试验数据进行广泛对比,验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明,火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值,随着飞行高度上升,辐射热流逐渐降低,火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势,并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

燃气源控制气流热效应数值模拟研究

为了解迷宫形导热套环与流体之间的热交换对控制气流温度及压力的影响,采用整体求解法求解控制气流与多层套环之间的耦合传热问题。为确保计算结果在物理上的真实性,采用“假密度法”求解以温度T为求解变量的能量方程。计算得到了控制气流参量随时间的变化情况以及迷宫形多层导热套环的温度在不同时间点的分布情况,结果表明流场的三维复杂结构使得每个小孔射流与各层套环的传热情况都不同,流体与固体区域之间的换热量随时间变化,其中内套环和中套环对流体的吸热量随时间的增长而急速下降,从而导致控制气体的温度和压力都随时间而逐渐增大。计算所得的控制气流温度和压力与试验测量值的变化趋势相同,验证了计算方法的有效性。     

基于微元能质比的辐射器散热性能分析方法

对管肋式单相流体回路辐射器的散热性能计算方法进行了研究。首先建立了管肋式辐射器传热过程数学模型及微元能质比(辐射器微元段单位质量散热能力)表达式,并采用数值求解方法得出了微元能质比随工质温度呈现二次曲线的变化规律,进而提出了以辐射器微元能质比为基础的辐射器散热性能分析方法,以神舟飞船辐射器为例进行了求解验证,证明采用此方法求解辐射器散热性能有效且方便快捷,具有较强的实用性和良好的工程应用价值。