燃气源控制气流非稳态耦合传热问题研究(Ⅱ)--数值模拟结果及分析

采用整体求解法求解了控制气流与多层套环之间的耦合传热问题,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。将计算结果与试验结果进行了比较,分析了传热对流体压强、温度等气流参量的影响。     

燃气源控制气流非稳态耦合传热问题研究(Ⅰ)--计算模型和方法

针对某燃气源控制气流与导热套环之间的非稳态耦合传热问题,建立了数学模型,并采用整体求解的方法进行求解,即把流体区域的流动和对流换热与固体区域的导热过程组合起来,作为一个统一换热过程来处理。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。对于非稳态控制方程离散后的离散方程采用了PISO方法进行求解。     

再生冷却推力室准二维传热数值计算

为了提高液体火箭发动机传热计算精度,建立了再生冷却推力室准二维传热计算的通用方法。冷却通道内考虑了冷却剂层间导热导致的温度分层效应,燃气侧对流换热既可采用传统Bartz公式,又可直接求解边界层控制方程得到热流密度,最终基于MATLAB开发完成了通用的再生冷却推力室准二维传热程序。利用该程序对某氢氧发动机进行了传热计算,并与一维传热程序和三维CFD传热计算结果进行了对比,结果表明：准二维传热计算方法可以计算出冷却通道内温度分层情况,冷却剂温升、流阻计算值与热试数据吻合较好,误差在10%以内,优于一维传热结果,验证了计算方法的有效性;直接求解边界层控制方程得到的热流密度与三维计算结果吻合较好;准二维传热计算时间短,效率高。     

气动加热下金属蜂窝板热响应特性数值模拟

提出一种计算非稳态气动加热下金属蜂窝板内辐射导热耦合换热数值计算方法。将金 属蜂窝夹芯板作为三层平板结构,建立沿厚度方向一维传热控制方程,采用Monte
Carlo方法求解蜂窝腔内辐射换热,有限体积法求解蜂窝板内耦合换热,考虑蜂窝金属与空 气热物性随温度变化,对某结构的正六角形蜂窝板在模拟气动加热条件下两表面温度响应进 行了数值预测,数值预测结果与文献中的实验结果对比表明该方法能够准确模拟蜂窝夹心板 内传热过程;对采用Swann & Pittman当量导热系数经验公式进行蜂窝非稳态表面温度响应 计算可靠性进行了验证,结果表明该公式在计算非稳态气动加热下蜂窝表面温度时存在较大 误差,给出的热面温度过高,冷面温度过低,两表面温差最大相对误差高达140％。     

交会对接目标飞行器控制力矩陀螺的传热特性

对交会对接目标飞行器控制力矩陀螺的热特性进行了分析,建立了控制力矩陀螺的热分析模型,并结合其热平衡试验结果对热模型进行了修正,结果表明,模型计算温度与热平衡试验温度吻合较好。文章利用修正后的热数学模型,对控制力矩陀螺在轨运行时在不同热边界条件下的温度场分布进行了求解,并得出了陀螺辐射传热与导热传热的比例关系,以及辐射传热是其主要散热途径的结论。     

烧蚀防热层与结构耦合热传导分析的交替计算法

考虑到法向热流远高于气流方向热流的特征,烧蚀层简化为沿法线方向的一维移动相变边界传热模型,用有限差分法求解,而弹身、弹翼等结构则用三维有限元热传导模型求解。为了将专用的一维移动相变边界热传导分析程序与通用的三维结构有限元热传导分析程序相结合,引入了涂层—结构—涂层交替计算方法。通过交替计算,最终使烧蚀层与结构的界面满足温度相等、热流平衡的传热协调条件。采用自行编制的烧蚀层热传导计算程序结合通用有限元程序(NASTRAN)计算带有烧蚀防热涂层的弹身和弹翼两个算例,验证了交替计算的收敛性。     

喷管内衬碳／酚醛的烧蚀模型

本文根据气动热化学烧蚀机理建立了固体火箭喷管内衬碳/酚醛的炭化烧蚀模型,并进行了扩张段的烧蚀率和温度分布预示计算.碳/酚醛受热时形成炭化层、热解层和基体层,主流和热解气体中具有氧化性的组分在表面与碳发生异相反应,材料的消耗带走了大量的热,有效地保护了基体.采用化学动力学控制的三方程模型、建立了化学反应质量计算方程;采用多层复合结构的瞬态导热方程和坐标变换的方法处理烧蚀移动边界,温度场计算方程;由壁面上的能量守恒关系,取得了烧蚀和温度场的耦合.通过计算,获得了烧蚀率、壁温随时间和沿喷管扩张段长度的变化,以及喷管扩张段材料内部的温度分布.导热方程用隐式格式求解,大大节省了计算机时.     

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.     

基于石墨烯强化传热的微小飞行器热控设计

文章针对微小飞行器电子设备高度集成化带来的热控风险，以某微小飞行器为研究对象，在分析其轨道参数和结构性能的基础上，提出采取不同厚度的石墨烯导热层等温强化传热的热控设计方案；通过热分析软件建立飞行器在轨状态的热模型，仿真计算飞行器在高温和低温工况下的外热流及不同厚度的石墨烯导热层方案下的瞬态温度分布，并对结果进行对比分析。结果表明，采取石墨烯导热层等温强化传热的热控方案可明显降低微小飞行器内部单机的温差，解决高低温工况下单机温度波动较大的问题。同时，通过实验方法验证了利用石墨烯导热层实现微小飞行器等温化的可行性。     

石墨渗铜材料的烧蚀模型探索

根据石墨渗铜材料的特点,探索了它的烧蚀和传热模型。认为烧蚀计算可以不考虑铜与燃气的化学反应;导热计算按铜的液相、熔化、固相三层进行.在碳基材料热化学烧蚀模型和移动边界下当量热容瞬态导热方程隐式求解的基础上,对于石墨渗铜喉衬的复合结构全喷管进行了考虑粒子侵蚀下烧蚀与传热耦合的计算.     

电子设备射流送风冷却特性试验研究

射流送风是载人航天器密封舱内电子设备冷却的一种有效方式,具有简单可靠、系统质量轻、换热系数大等优点.文章对中国载人航天器密封舱内2台大功耗电子设备射流送风冷却特性进行了试验研究,分析了射流风量、送风孔数、表面状态对设备平衡温度的影响.利用不超过0.4m3/min的风量,可将热流密度为315.8W/m2的设备温度控制在5...     

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。     

多热源工况下燕尾形轴向槽道热管的热响应特性

建立了燕尾形轴向槽道热管应用于多热源时的瞬态传热及流动的理论模型并进行了数值求解,研究了该型热管应用于多热源时从启动开始直到达到稳态过程中,壁面温度、弯月面毛细半径、液体速度的实时变化。结果显示：毛细半径沿轴向单调递增;蒸发段有热源与无热源的连接处的温度阶跃变化;在蒸发段热源处,液态工质流速变化激烈,在蒸发段无热源处,液态工作速度变化比较平缓;同时,开展了热管瞬态特性测试实验,实验测量值与数值计算值符合较好。     

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。     

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。     

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。     

流速及进出液口形式对板式热沉换热性能影响

热沉的换热性能直接影响空间冷环境的模拟效果。文章通过建立不锈钢板式热沉的几何结构模型,利用流体力学理论和有限元方法对板式热沉换热性能进行数值模拟。湍流计算采用RNG模型的k-ε方程,压力–速度耦合计算采用Simple算法,得到热沉壁面温度分布及换热特性参数,同时分析流速及进出口形式对热沉壁面温度均匀性及换热性能的影响。结果表明:较小的流速会导致热沉壁面温度均匀性变差,而流速的增加可以提高热沉的换热效率,但又会增加流体的压力损失。为保证热沉壁面温度分布均匀,需在综合考虑传热和阻力问题的基础上来确定最优的入口流速。当热沉有效尺寸较小时,则进出口布置形式不会影响板式热沉壁面温度的均匀性。     

3D打印赋形微小流道集热器内层流换热特性数值模拟与试验研究

针对星内载荷存在大功率、多热源、高度非均匀功率密度的传散热需求,研发了一种3D打印赋形微小流道集热器.在评估了用数值模拟方法预测复杂构型微小流道集热器流动换热特性之可行性基础上,采用数值模拟与试验相结合的方法,研究流量、入口温度、热功率及重力对集热器内层流换热特性的影响,获得了集热器阻力系数与努塞尔数的经验关联式,并优...