平板式小型环路热管的实验研究

设计一套蒸发器尺寸为74 mm(D)×14 mm(H)的平板式小型环路热管(mLHP),工质为甲醇,冷凝方式采用冰水混合物冷却,研究其换热性能。实验表明,该环路热管能够实现重力和无重力辅助启动。倾角为18 °、充灌率为60%时,热负荷从20 W增加到140 W,整个环路热管热阻从2.58 ℃/W减小到 0.44 ℃/W 。无重力辅助启动时,mLHP能够散去130 W的热量而壁面温度低于80 ℃。当热负荷一定, 无重力辅助启动时的蒸发器壁面温度高于重力辅助启动时的壁面温度。在保证系统启动的工质裕量前提下,减少工质充灌量有利于降低蒸发器壁面温度。mLHP运行存在低热负荷区和高热负荷区,在低热负荷区,蒸发器和补偿腔温度随着热负荷的增加降低;在高热负荷区,蒸发器和补偿腔温度随着热负荷的增加升高。     

储液器在被动式热交换下环路热管的热性能研究

环路热管是应用于航天器、航空器、舰船等设备的新型换热器件,热性能是评价环路热管的主要性能参数。通过试验和系统级数值模拟研究了当储液器处于自然对流的被动式热交换时,环路热管在不同冷源温度下的温度分布特性和换热性能,说明环路热管总热阻和冷凝器利用率受冷源温度的影响规律。环路热管存在可变热导和固定热导区:在可变热导区,环路热管总热阻随热负荷的增大迅速减小,而升高冷源温度有助于降低总热阻;进入固定热导区后,总热阻则趋于稳定。蒸发器换热系数随着热负荷的增大先增大后减小,但其变化幅度在冷源温度较高时明显减弱。     

回路热管性能的地面实验研究

一倍重力条件下，通过一系列地面实验研究了回路热管的运行机理、温度控制及其传热特性。给出了回路热管温度分布及其随传热功率的变化曲线图。对回路热管的传热过程进行了分析。通过实验数据描述了工作温度随传热功率的变化规律并进行了解释。分析了回路热管热导随传热功率变化的规律。实验结果表明有两个因素影响系统总热导变化——冷凝器有效冷凝面积(积极因素)和过热度(消极因素)。讨论了蒸发器和冷凝器的方位对系统运行、温度控制特性的影响。得出反重力工作对回路热管的工作温度、温度控制性能、系统热导都会产生消极影响的结论。     

燕尾形轴向微槽热管的流动和传热特性

建立了燕尾形轴向微槽热管传热和液体流动模型并进行了数值求解,计算了其最大传 热能力。模型考虑了气液界面剪切力的作用,分析了热管内气、液相流体压力和流速及弯月 面毛细半径沿轴向的变化特性,并讨论了热负荷对蒸发段端口毛细半径的影响,以及工作温 度和吸液芯结构对最大传热能力的影响。研究表明：弯月面毛细半径沿轴向非线性增加,在 蒸发段和绝热段变化较小,而从冷凝段开始急剧上升;热管内蒸气沿程压差远小于液相压差 ;液体的平均速度远小于蒸气的平均速度;沟槽热管的最大传热能力受工作温度和毛细芯结 构尺寸的影响较大;燕尾形底宽的增大或微槽高度的增加有利于提高热管的最大传热能力, 而蒸气腔半径对最大传热能力的影响不明显。同时,还通过实验验证了本模型的正确性。
     

液体火箭发动机液膜冷却研究综述

液膜冷却是液体火箭发动机的一种重要的冷却方式,具有冷却结构简单、冷却能力强等优点,一般与其他冷却方式结合,实现对发动机的冷却。液膜冷却对发动机的热防护可靠性和发动机比冲均有重要的影响。通过追踪国内外液膜冷却研究现状,从液膜的形成、中心气流对液膜的夹带作用、液膜冷却分析模型以及液膜冷却对发动机性能的影响等方面,梳理了液膜冷却的研究文献,总结了当前研究中存在的不足,并从冷却剂注入结构、中心气流对液膜夹带特性、液体火箭发动机液膜冷却计算方法和推力室冷却结构/技术方案等方面提出研究展望。     

液氧/煤油高压推力室液膜冷却环局部过热分析

液氧/煤油发动机高压推力室采用了多条液膜冷却环带技术。由于室压高和热流密度大,易出现冷却环带结构局部过热现象,局部过热（甚至局部烧蚀）有时发生在燃烧室收缩段的冷却环上沿。传热计算和对比分析表明,在降低边区混合比的同时,第一冷却环带流量增大25%,可使过热处气壁温下降约35℃。采取增加冷却环带流量、降低燃烧室边区混合比、改善液膜冷却局部喷注结构等措施有利于燃烧室壁面的热防护,可防止局部过热的发生。     

液膜冷却和二次燃烧的双组元发动机的性能和温度特性

利用 GEMCHIP 程序的数值模拟方法.检验了燃料液膜冷却的双组元发动机边界层扰流块对燃烧性能的改善,以及性能的增益与扰流块几何形状的关系。改善燃烧的主要机理是在于强化了中心区和边界区火焰的燃烧。即处于中心区的燃料液滴的正常燃烧和被边界层扰流块迫使参与液膜冷却的燃料液滴向中心区转移而加强。另外,扰流块后的尾区里的一些氧化剂液滴.在富燃的近壁区开始了共轭燃烧。对于一种没有预先混合的双组元喷注器,在有扰流块的燃烧室中。氧化剂和燃料的燃烧效率所得到的增益,高达20～30％。为改善燃烧,对扰流块的三种结构方案进行了模拟实验,其中,裁面为三角形和矩形的扰流块结构在燃烧效率上比截面为半圆形的扰流块能获得更高的增益。对于预先混合型的喷注器(有很高的燃烧效率),燃烧效率的增益相当高,其总的燃烧效率达到0.99甚至更高。本文还讨论了将来的研究领域,涉及燃烧中的涡流问题。     

CPL蒸发器多孔芯内传热传质的非稳态数值模拟

基于多孔芯内局部热力学平衡的假设，考虑了Brinkman和Forchheimer对Darcy定律的修正模型，针对简化的物理模型中所包含的气液相区域，建立了二维分层饱和多孔介质模型，以甲醇为工质对CPL，蒸发器毛细多孔芯内的传热传质过程进行非稳态数值模拟。在不同的热负荷条件下预测气液分层界面的形状和位置、系统由初态达到稳态过程的持续时间，讨论压力和温度的分布。由两层饱和模型所得到的计算结果可知．CPL系统在启动时，为避免高热流时液体脱离多孔区而发生干涸，宜采用小负荷启动；采用预热器，改善蒸气的出口条件；增加蒸发器入口处的工质的过冷度，有利于增加CPL系统启动过程和变工况时的稳定性。文中分析结论为CPL系统的优化设计提供参考。     

磁控热防护系统高温流场与电磁场耦合计算方法

为了研究真实气体条件下霍尔效应对磁流体(MHD)控制热防护效果的影响,建立了热化学非平衡流场、外加磁场、霍尔电场的耦合计算方法。分析了耦合计算效率与电场更新间隔、电势残差收敛极限的关系。给出了采用非平衡霍尔系数模型时电场更新间隔和电势收敛极限的较优取值。研究表明,当霍尔系数较小(β=1.0)时,电场更新间隔大于100流场计算时间步时耦合计算效率较高,且导电壁面和绝缘壁面结论一致。当霍尔系数较大时,耦合计算时间过长,可适当增加电场迭代间隔和电势收敛极限以提高耦合计算效率。     

自由分子流微电热推力器(FMMR)流动模拟与喷嘴型面分析

FMMR是一种工作在自由分子流状态下的微电热推力器。考虑稀薄效应对FMMR喷嘴型面设计和分析的影响,采用直接蒙特卡罗(DSMC)方法模拟等截面、扩张型面、收缩-扩张型面3种不同喷嘴内的气体流动,分析了各种喷嘴型面对推力器性能的影响规律。结果表明,FMMR采用扩张喷嘴相对于等截面喷嘴,有较大的性能提升,推力最大可增加38%,比冲最大可增加23%;采用收缩-扩张喷嘴较扩张喷嘴能进一步使推力增加21%,但对比冲无明显改善。     

火箭垂直回收中发动机布局与喷流壁面效应影响研究

针对重复使用火箭垂直着陆过程的喷流流场问题开展研究，利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD)方法研究了壁面效应和发动机布局对超声速喷流的影响。研究表明，着陆距离（L）在2.24D~11.2D（D为喷管出口的直径）的范围内，地面效应对喷管出口中心处的温度分布影响较小；在当前计算条件下，当L<2.24D时，超声速喷流撞击地面会形成强烈的激波，随着离地高度的降低，该激波位置往喉部方向移动，由于壁面效应，喷管内部形成斜激波，导致中心喷管壁面处的温度升高；中心喷管相对外侧喷管往外突出增大了壁面流动速度，导致外侧喷管出口的温度降低；研究还表明子级火箭底部端面的喷管数量增加后，会导致喷管的温度升高。研究结果将为火箭发射及回收方案选取提供参考。     

基于MSDM方法的粒子-固壁侵蚀效应研究

为研究导弹发射过程中发动机喷出的高温高速粒子对发射装置壁面的冲刷和侵蚀作用,利用MSDM(微尺度动力学模型)方法,建立了粒子对固壁材料的冲刷侵蚀模型,对粒子入射速度、入射角度、粒子尺寸及固壁材料特性等影响侵蚀效应的因素进行了研究,获得了粒子入射条件、固壁材料特性与侵蚀效应的相互关系.用MSDM方法将粒子和固壁离散为具有一定连接关系的微团质点,并利用材料属性和牛顿运动关系确定了微团间的相互作用和运动过程.研究表明,该方法在分析粒子-材料侵蚀方面具有一定效果.     

壁挂式主频可调变截面小卫星结构设计与验证

针对多星并联布局“一箭多星”发射小卫星的模式，为降低星箭连接界面结构受力、提高卫星结构对不同运载火箭的主频适应性、提高星内设备安装空间利用率，本文设计了一种壁挂式主频可调变截面小卫星结构。对该卫星结构，开展了基于有限元方法的模态和静力分析验证，还开展了地面鉴定级振动试验验证和在轨飞行试验验证。分析和试验结果表明，壁挂式卫星结构相比底部连接式卫星结构，星箭连接界面受力可降低67.7%；在不增加卫星结构质量的前提下，仅通过安装或拆卸主传力路径上的部分连接螺钉，就能实现卫星3个方向一阶频率10 Hz左右的可调范围；采用沿运载火箭轴线方向横截面大小可变的变截面结构设计，可将星内设备安装空间的利用率由等截面卫星结构的49.1%提高到74.2%。     

离心式喷嘴一次破碎与二次雾化的数值模拟

离心式喷嘴具有轴向较大的旋转速度分量,在其诱导下会产生空气芯,使得喷嘴出口处产生空心锥液膜。空心锥液膜会发生一次破碎和二次雾化,流动行为较为复杂。采用流体体积函数转换成离散相模型(VOF-to-DPM)这种结合了流体体积法和欧拉—拉格朗日方法的多相流模型,并结合自适应网格细化方法,针对双切向孔离心式喷嘴雾化流场特性展开...     

固液捆绑火箭上升过程喷流干扰特性及底部热环境研究

固体喷流和液体喷流的来流与喷流之间相互干扰，在喷流交汇碰撞区域使流场温度、压力特性发生变化，对箭体底部的加热效应增强。特别是含有固体颗粒的固体助推器喷流与液体芯级喷流混合，对传热特性产生明显影响。本文用连续相模型模拟气相、离散相模型(DPM)模拟固体粒子相、DO模型模拟含有固体粒子的介质辐射，对固液捆绑火箭在上升飞行过程中的气固两相喷流的演变过程进行仿真研究。仿真结果表明:在不同的发动机组合之间出现高温区域，并随着喷流扩张和飞行高度增加，高温区向箭体底部移动，喷流中小粒径固体颗粒分布在喷流与空气的边界混合层区域，大粒径固体颗粒分布在喷流交互中心区域，底部最大对流热流密度与辐射热流密度为90 kW/m²和400 kW/m²。将仿真实验结果与飞行试验数据进行了对比分析，发现两者吻合较好，验证了仿真结果的准确性。     

基于LabVIEW和光纤传感器的液漏监测系统设计

针对传统液漏传感器检测精度低、空间分辨率小以及不能实时监测多点位液漏等问题，利用LabVIEW设计了一个基于光纤传感器的液漏监测系统。整个系统包括传感器和上位机两个部分。其中，光纤带式传感器负责采集漏水点的信号，其传感功能的实现基于侧向耦合效应。LabVIEW上位机负责实时监测多点位液漏状态，实现了采集数据的处理、存储和显示功能。上位机和传感器之间采用USB接口通信。实验结果表明，该系统能够对8 m区域范围内，160个点位的漏水状态实时精确定位及报警，漏检率≤10 %，位置精度介于±25 mm，较传统液漏传感系统，其空间分辨率提升了10 %。对于当前设备存在的漏检和误报的问题，给出了误差分析及改进思路。通过LabVIEW实时显示多点位漏水状态，能够提高工作效率，适用于对漏水监测有较高要求的场合。     

纳米碳粉掺杂对激光烧蚀GAP的推进性能影响

实验以含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(Glycidyl azide polymer,GAP）作为激光烧蚀微推力器的靶材。通过对不同浓度纳米碳粉掺杂和靶材厚度下激光烧蚀GAP的比冲、冲量耦合系数和能量转化效率测量，结合靶材喷射羽流图像，分析了纳米碳粉掺杂提高激光烧蚀聚合物靶材推进性能的机理，给出纳米碳粉掺杂的适用方式。实验结果表明：透射式下，掺杂纳米碳粉之后，聚合物对激光的吸收大幅增强，但激光烧蚀推进性能不随掺杂浓度增加而显著提升；纳米碳粉吸收激光能量形成温度极高的局部热区促进聚合物中化学能的释放，是推进性能提升的主要原因；掺杂纳米碳粉之后的GAP烧蚀深度降低，表现出面吸收特性；随着靶材厚度的增加，未完全烧蚀的工质质量增加，使得靶材的利用率大大降低，导致聚合物推进性能下降。实验中掺杂3%纳米碳粉、厚度为54 μm的GAP靶材最优能量转化效率超过250%，适合作为透射式激光烧蚀微推力器的靶材。     

临近空间高超声速稀薄流中梯形缝隙绕流分析

针对高超声速飞行器表面不规则缝隙的构型特征，将其简化为梯形缝隙模型；采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法对高超声速稀薄流中的缝隙绕流问题进行数值模拟；研究了不同的缝隙壁面倾角对流场结构以及壁面参数的影响，为航天器结构设计以及热防护设计提供了数值支持。结果表明：改变倾角会改变流场结构，当倾角减小时，外部流场会更深入缝隙内部，使得缝隙内流场和表面的气动参数增强，且倾角越小，影响的程度越深。同时，倾角减小也会减小缝隙内的旋涡强度，当倾角小于30°时，缝隙内的旋涡区域完全消失。     

火箭基组合循环(RBCC)发动机性能分析

介绍了采用引射火箭模式的RBCC发动机工作原理,并在对其概念设计模型进行简化的基础上,进行了RBCC发动机系统性能分析,评估了RBCC发动机系统主要设计参数(发动机系统出口截面直径和燃料化学反应后的总温)的变化对其性能(推力、推力系数和比冲)的影响,认为:1)燃料经过加热后,推力和推力增益都上升了69.97%,比冲增加了180.18%;2)随着二次燃烧过程中燃烧室温度的上升,发动机的推力、推力增益和比冲得到了很大的提高,火箭发动机的性能得到了很好的改善;3)随着RBCC发动机系统出口截面直径的增加,尾气对发动机的反推力、推力增益以及比冲急剧下降,不利于其性能的改善。     

基于ANSYS的1-3型压电纤维复合材料结构优化

采用有限元方法,对1-3型压电纤维复合材料macro-fiber composites(MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响。结果表明:分支电极中心距p一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持应力;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,自由应变增加而夹持应力减小;采用交叉指形电极结构可使1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍。较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,而同时夹持应力则相应降低。