航天用传热强化工质导热系数和粘度的实验研究

通过在航天器热控系统用的某型液体传热工质中添加铜纳米粒子，研制一种新型航天用传热冷却工质-纳米流体。分别运用瞬态热线法和NXE-1型粘度计测定了不同纳米粒子体积份额配比的纳米流体的导热系数和粘度，分析了纳米粒子体积份额、温度等因素对纳米流体导热系数和粘度的影响，实验结果表明，在液体中添加纳米粒子，显著增加了液体的导热系数和传热性能。     

超临界压力下航空煤油RP-3在水平细圆管内对流换热特性实验研究

为探究超临界压力下碳氢燃料在水平管内的对流换热规律,文章针对超临界条件下航空煤油RP-3在水平细圆管内的对流换热,分析了热流密度、进口雷诺数及浮升力对对流换热的影响。研究表明:沿流动方向,管内表面传热系数随热流密度的增大先减小后增大;在低进口温度及低进口雷诺数情况下,管内换热均出现先恶化后强化的现象,而随着进口温度和雷诺数的增加,此现象消失;浮升力对换热的影响随热流密度的增加而增加;浮升力对下表面换热的加强使得入口效应的影响在下表面先于上表面结束;受浮升力影响,上下壁最大温差可达50 K;质量流速的增加会抑制浮升力对换热的影响;准则数Grq/Grth可以很好地反映浮升力的变化趋势。以上研究结果可为采用碳氢燃料作冷却介质的各类飞行器主动热防护技术方案提供技术支撑。     

发动机喷管内流场对流换热系数影响因素的数值分析

基于Roe-FDS格式,采用标准κ-e湍流模型对某液氧煤油发动机喷管内部燃气流对喷管内壁的对流传热换热系数进行了数值仿真与研究,分析了网格雷诺数以及恒温壁壁温对喷管内壁对流换热系数的影响.当近壁面网格第一层法向高度为10-3 mm数量级时,仿真结果与工程估算公式的计算结果相吻合.同时,在一定范围内,对流换热系数随来流速...     

航天器密封舱流动和传热的数值研究

在有强迫流动的航天器密封舱内，与固壁存在热交换的三维气体流动使得舱内传热相当复杂。本文用数值分析模拟航天器在轨状态下的流动和传热。结果表明，辐射和流动在密封舱热分析中都不可忽略。对多种风速的计算结果表明，平均对流换热系数与风扇布局基本无关而仅与平均风速有关，最后由计算结果得出了平均对流换热系数和平均风速的经验关系式。     

含纳米粒子流体的纳米颗粒参数对强化小型毛细泵回路热管换热性能的影响

对以铜-水和氧化铜-水的纳米流体为工质的小型平板毛细泵回路(CPL)进行了实验,研究了纳米颗粒参数;包括质量浓度、纳米颗粒种类以及纳米颗粒粒径对CPL换热特性的影响.实验中采用了平均粒径为50nm的CuO粒子,20nm和50nm的Cu粒子,流体中纳米颗粒质量浓度为0.1wt%～2.0wt%,工作压力固定在15.74kPa.实验结果表明,纳米流体替代纯水后,蒸发器的换热系数和最大热流密度显著提高,从而提高了CPL的换热性能.质量浓度对换热特性有明显影响,存在着一个对应最大换热强化能力的最佳质量浓度.对于铜纳米颗粒而言,其最佳纳米颗粒质量浓度为1.0wt%,而对于氧化铜纳米颗粒而言,其最佳纳米颗粒质量浓度为0.5wt%.纳米颗粒的种类和平均粒径大小对换热性能强化能力也有很大影响:对于粒径相同的纳米颗粒而言,铜-水纳米流体的CPL换热性能高于氧化铜-水纳米流体的换热性能;对于同种类型的纳米流体而言,小粒径纳米颗粒对CPL换热性能的强化作用大于大粒径纳米颗粒对换热性能的影响.     

预旋结构对空间布雷顿循环涡轮盘表面换热特性的影响

针对空间核动力航天器涡轮盘表面温度过高和温度梯度较大的情况，提出了一种预旋涡轮盘冷却结构。采用数值模拟的方法对比分析了有无预旋2种冷却结构下的涡轮盘表面换热特性，研究了旋转雷诺数对换热效果的影响。计算结果表明:与无预旋结构相比，预旋结构可以有效地提高氦氙冷却气流与涡轮盘的对流换热系数，降低其表面最高温度和温度梯度，最高温降可达63.1 K。随着旋转雷诺数增大，涡轮盘表面最高温度降低，轮盘表面平均换热系数增大，采用预旋结构的表面平均换热系数比无预旋结构增大13.4%。     

肋参数对液氧甲烷发动机推力室强化换热的影响

为深入研究带肋推力室强化传热的机理，对带肋液氧/甲烷推力室的燃烧与再生冷却进行了流动与传热耦合分析，并针对不同肋高和肋数目进行了参数化分析。结果表明:引入等效平均热流密度的概念可以准确描述带肋推力室中的实际传热过程;平均热流密度总是随着肋数目的增加而减小，当肋高恒定时，由于总换热面积增大，等效平均热流密度会随着肋数目的增加而增大;而当总表面积恒定时，等效平均热流密度会随肋数目的增加而减小。此外，盲目地增大总换热面积并不一定能改善传热强化，甚至会在某些情况下恶化传热，因此在设计过程中也应该结合其他肋参数进行综合考虑。     

差压检漏系统压力与温度响应的计算分析

文章建立了差压检漏系统物理和数学模型;利用Matlab数值模拟求解非对称的基准物和被测物在不同的充气时间、有效传热面积、对流换热系数和不同的表面辐射率情况下的压力和温度随时间的响应;通过试验舱的计算结果表明:平衡时间越长,基准物和被测物的温度差越小,压差越小;当基准物容积比被测物容积小时,可以通过增大被测物的有效传热面积、表面的对流换热系数和辐射率来缩短温度平衡时间,减小二者压差.     

结构参数对水升华器散热性能影响的研究

应用一维稳态导热模型,结合具有滑移效应的达西定律、气体通过小孔的流动模型,针对一套水升华器提出了稳态理论分析方法。分析了接触换热系数、排气通道面积两个关键结构参数对水升华器散热性能的影响,并开展了相关实验研究。仿真分析和实验结果表明:稳态散热量随流体回路冷板与给水腔之间接触换热系数增大而增大,接触换热系数较小时,散热量和接触换热系数呈强耦合关系,在接触换热系数较大时,二者呈弱耦合关系。分析表明:散热量随排气通道面积增大而增大,且存在临界排气孔面积,排气孔面积小于临界值时,散热量随排气孔面积的增大而急剧升高,排气孔面积大于临界值时,散热量随排气孔面积的增大而几乎不变。文章研究结果可为空间水升华器的设计提供参考。     

考虑对流换热影响的固体发动机热力耦合分析

考虑壳体与空气自然对流换热的影响,对固体发动机结构进行了热力耦合有限元分析。研究了对流换热对发动机结构响应的影响,讨论了不同对流换热系数下的温度及应变响应变化规律,评估了某双伞盘固体发动机经历固化降温、低温试验及低温贮存过程的结构完整性。结果表明,考虑对流换热能更准确地反映发动机的受载状态;对流换热系数变化影响其结构响应历程,但随对流换热系数的不断增大,这种影响逐渐减弱。     

不同压力条件下水平平板的表面换热实验研究

为了解不同压力下水平平板的气体对流换热变化情况,搭建了一个提供不同气压和环境温度的实验舱,开展了在不同压力(0.1 Pa、0.1 k Pa、0.2 k Pa、0.5 k Pa、1 k Pa、10 k Pa、50 k Pa和常压)与几种加热量(75、150、300 W/m~2)组合条件下的水平平板换热实验研究。通过对辐射换热和自然对流换热的比较,得到不同压力下气体的对流换热系数。结果表明:对流换热系数在环境气体压力小于1 k Pa时非常小,而在1 k Pa以上时才较大;在大于1 k Pa时,对流换热系数随压力的升高呈二次方增加。     

人工粗糙度对矩形弯曲管道流动与传热数值模拟

人工粗糙度作为一种局部强化换热技术,对提高再生冷却效率有重要意义。为了研究人工粗糙度对矩形冷却通道三维流动与传热特性的影响,以及在弯曲段与二次流的耦合作用,对有人工粗糙度的三维弯曲矩形通道进行了建模,并应用Fluent软件进行了数值仿真计算,采用了能够有效准确地求解受强曲率影响的管道内及近壁区域湍流流动的RNG k-ε湍流模型。结果表明:在冷却通道底面添加人工粗糙度会使底部流动受到干扰进而导致流速中心上移,因此在弯曲段,有人工粗糙度的冷却通道中所产生迪恩涡的范围相对较小且距离底面较远,而随着二次流的产生,流速中心会向底部移动,使得该处的换热得到改善,整体对流传热系数上升;当入口质量流量分别为0.1 kg/s,0.2 kg/s,0.3 kg/s时,有人工粗糙度工况下弯曲段加热面平均对流传热系数分别增加了11.86%,13.11%,16.14%,表明添加人工粗糙度可以显著提高换热,且随着入口质量流量的增加其对换热的提高作用也变得越来越明显。     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

Convection of liquid with internal heat release in a rotating container

The convection of heat-generating fluid in a rotating horizontal cylinder is experimentally investigated. The threshold of convection excitation, the structure of convective flows and the heat transfer in the cylinder depending on the heat release capacity, liquid viscosity and aspect ratio of the cavity are studied. It is found that the average convection is excited by the thermovibrational mechanism —the gravity force, rotating in the cavity frame, produces the oscillations of non-isothermal fluid relative to the wall, which in turn result in excitation of mean convective flows. It is shown that the structure of convective flows depends on the dimensionless velocity of rotation. At relatively low rotation velocity the convection develops in the form of a periodic system of vortices regularly distributed along the cylinder axis. The threshold of excitation (critical value of vibration parameter) of three-dimensional vortex structures grows with rotation velocity. Above some definite rotation velocity the convection develops as two-dimensional rolls parallel to the axis of rotation. The threshold of two-dimensional structures excitation does not depend on the rotation velocity. Besides the structure of thermal convective flows the analysis of the relatively weak currents generated by the inertial waves below the threshold of convection is performed.     

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,确定了适用于微细通道氦加热器管内外换热和流阻的关联式。结果表明:对于管内流动换热,经典关联式预测准确,平均误差小于8%。对于管外流动换热,经典关联式对流阻的预测依然准确,但是对换热系数的预测有较大偏差,最大偏差接近50%。基于数值模拟结果拟合了新的微细通道氦加热器管外对流换热关联式,平均误差小于5%。此外,对比分析发现蛇形管式微细通道氦加热器对流换热系数最大,综合性能最优。     

倾角对含油工质冷凝换热影响的实验研究

随着航天器热控制的发展,蒸气压缩热泵排热系统等热控方式逐渐受到人们的重视,其中冷凝换热对热泵的性能好坏有重要的影响。为了研究重力场对冷凝换热的影响,将紫铜直管冷凝器置于蒸气压缩热泵系统中,通过改变重力场与流动方向的夹角,测量得到了不同倾角下的冷凝换热系数和压降。实验结果表明,倾角对直管内冷凝换热系数的影响较大,不同倾角下的换热系数差别达30%,远大于不同倾角对直管内蒸发换热的影响;压缩机润滑油对冷凝换热的影响也很大,相比较无润滑油冷凝换热系数低30%以上。随着质量流量的增加,压缩机润滑油的影响逐渐减弱。