液氮抽真空制冷的理论及试验

在考虑液氮总质量变化、储罐罐体热容的前提下,基于化学势温差,传热系数和传质系数等参数,详细建立了液氮降压制备过冷液氮的数学模型。理论计算的液氮温度及质量变化和制取过冷液氮试验值吻合较好,结果表明:该数学模型能准确描述液氮相变过程,且获得了液氮抽真空制冷中相变传热的化学势温差为1.21 K、传热系数为2 942.37 W/(m2·K)及传质系数为0.004 4 m/s。      

航空煤油RP-3结焦产物的物性

在环境温度为800K和900K条件下,获取RP-3航空煤油结焦产物,通过试验获得表观形貌及物性,拟合了结焦产物的比热容和导热系数随温度变化的经验关系式。结果表明:航空煤油结焦产物的微观结构为球状颗粒堆积且表面存在可见孔隙,表观密度约为1 049kg/m~3,真密度约为1 498kg/m~3,孔隙率约为29.9%,环境温度为800K下生成的油焦真密度较900K下生成的小;通过闪光法测得油焦比热容约为1.1~2.2J/(g·K),导热系数约为0.19~0.28W/(m·K),比热容和导热系数均随着温度的升高而增加,环境温度为800K下生成的油焦比热容和导热系数较在900K条件下生成的略大。     

容器热物性参数对蓄热系统性能影响的数值研究

建立了分析潜热蓄热系统蓄热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.其中考虑了容器壁面的导热,且相变传热只考虑导热模型,对相变材料(PCM)相变过程的求解采用解耦法计算模型.对几种不同材料容器内PCM熔化过程进行了数值计算比较,结果表明,容器材料的导热系数、比热容和密度等热物性参数对PCM的熔化有很大的影响.此外还对不同初始温度和边界壁温对PCM熔化的影响进行了数值计算.所得结论对潜热蓄热系统的热性能及其优化设计有一定的指导作用.      

湿热、盐雾和霉菌对氧化铝纳米隔热材料的性能影响

以氧化铝纳米隔热材料为研究对象,开展了湿热、盐雾和霉菌对材料的性能影响研究。结果表明:湿热环境下,密度为0.45 g/cm3的材料室温下热导率由0.031 W/(m·K)增加到0.047 W/(m·K);盐雾环境下,热导率由0.031 W/(m·K)显著增加到0.136 W/(m·K);霉菌环境下,热导率基本保持不变为0.031 W/(m·K)。分析了材料表面与上述环境的相互作用,发展了材料表面防潮技术。经防潮后的氧化铝纳米隔热材料疏水性显著提高,接触角均超过90°。再经贮存环境试验考核,发现材料基本不受湿热、盐雾和霉菌的影响。     

碳化温度对C/C复合材料微观结构及热性能的影响

采用CVI PIC工艺制备了四种碳毡增强碳基复合材料(C/C), 其中对三种样品A、B、C在2 500℃进行了一次石墨化处理,样品D未进行石墨化处理。为与900℃碳化对比,研究了1 500℃碳化对复合材料微观结构及热性能的影响。结果表明:碳化温度由900℃提高到1 500℃后,样品A的开孔率下降11. 6% ~13. 5%, 1 000℃的xy向线膨胀系数由1. 75×10-6 /K增大到2. 17×10-6 /K; xy向和z向的800℃热导率分别由65. 07W/(m·K)、45. 98W/(m·K)增大到75. 44W/(m·K)、54. 86W/(m·K);xy向和z向的比热容分别由1. 70kJ/(kg·K)、1. 43kJ/(kg·K)增大到1. 79kJ/(kg·K)、2. 19kJ/(kg·K)。样品B和样品C也表现出基本相同的趋势;随着碳化温度由900℃提高到1 500℃,样品D中微晶尺寸由2nm增大到4nm。     

涂层材料瞬态传热实验与导热系数辨识

针对涂层-基体一体化的双层结构,为测试评估其中涂层材料的导热性能,提出基于瞬态平面热源法（transient plane source, TPS）的涂层材料导热系数反演辨识方法。根据Hot-Disk实验测试原理,建立基体-涂层-探头整体的二维非稳态传热模型;结合测量过程中的瞬时温升数据信息,采用粒子群优化算法反演辨识获得涂层材料的导热系数;并通过实验和数值模拟论证了上述方法的可靠性。结果表明：该测量方法能够有效获得涂层导热系数,测试反演的数值偏差小于4.0%。最后,实际测量和反演辨识获得了一种涂层材料常温至773 K的导热系数,随温度提高呈现增大趋势,数值范围为0.18～0.29 W/(m·K)。     

翅片-泡沫铜复合结构的导热增强作用

由于翅片能够极大提高沿翅片伸展方向的导热能力,因此为满足一些航空大功率元件的散热要求,提出采用翅片-泡沫铜复合结构作为导热增强介质的概念.制作了翅片厚度分别为0.5,0.8mm和1.0mm的翅片-泡沫铜/石蜡实验件.通过瞬态和稳态的方法对实验件的热特性进行了测试,结果表明添加1.0mm翅片后复合材料的等效导热系数达到11.4W/(m·K),分别为泡沫铜/石蜡和纯石蜡的3.7倍和42.2倍;在相同热流密度下,采用翅片的装置热源与散热面的最大温差相对于未采用翅片的装置降低了73.2%~90.0%.实验证明翅片能够显著提高泡沫铜/石蜡的等效导热系数和动态热响应速度.根据实验结果提出了适用于翅片-泡沫铜/石蜡相变过程的无量纲数关联式.      

酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能

为考察纳米孔径的酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能,以酚醛树脂为碳源,环戊烷为发泡剂,吐温80为表面活性剂,对甲苯磺酸为固化剂,采用发泡固化碳化工艺制备了低密度泡沫碳材料。所制备的泡沫碳材料密度为0. 3 g/cm^3,压缩强度达到了11. 7 MPa。采用LFA457激光导热仪考察了泡沫碳材料在不同温度下(25、200、400、600℃)的导热性能,25℃下热导率为0. 141 W/(m·K),600℃下热导率为0. 344 W/(m·K);通过氧乙炔试验(30 s/60 s)对泡沫碳材料与C/C复合材料在同样的气流条件下隔热性能进行了比较,在材料正面烧蚀峰值温度泡沫碳材料比C/C复合材料高出约400℃的情况下,背面峰值温度比C/C复合材料仍低出150℃;通过氧乙炔试验考察泡沫碳材料的抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀60 s的线烧蚀率为0. 031 mm/s。试验结果证明低密度的泡沫碳材料同时具备优异的隔热与高温抗烧蚀性能。     

微孔纳米板与陶瓷纤维板热导率对比研究

文摘采用非稳态热线法测试了微孔纳米板与陶瓷纤维板在RT~1 000℃区间热导率,利用SEM微观形貌与荧光光谱成分分析,结合微观导热机理对测试结果进行了分析。结果表明:纳米板热导率分布在0.03~0.1 W/(m·K)区间,纤维板为0.055~0.25 W/(m·K);两种材料热导率均随着温度升高而增大,且规律均为先缓后急,不同的是,纤维板热导率在300℃以后开始急剧增大,而纳米板在550℃之后才开始较快增长;纳米板整体上升趋势缓于纤维板,温度越高,两者热导率差异越大。分析认为纳米尺寸的固体颗粒及内部气孔是纳米板拥有低热导率的关键因素。     

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时，材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征，以2.5D编织结构复合材料为例，分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型，计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征，同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律，并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比，基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征，当平板内部平均温度梯度为25383K/m时，表面温度波动幅值达到12.41K，表面最高温度由906.96K增加到911.60K，并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时，随着纱线编织角度的增加，材料表面温度波动幅值下降，但表面的高温区域增加，沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加，材料表面的高温区域基本不变，温度波动幅值小幅下降，均匀性增强；随着纤维束与基体导热系数比的增加，材料表面的高温区域增加，温度波动幅值降幅较大，均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内，当边界温度达到1600K时，基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

重力场下细微循环通道内流体热驱动现象研究

本文以试验结合数值模拟的方法,研究了一种利用彻体力场下封闭通道内流体的热驱动循环流动来强化换热的新型冷却方式。由显示实验清楚地拍摄到封闭通道内水的热驱动循环流动,同时通过实验和数值分析研究了水的运动和换热特性,实验和计算结果基本一致。研究表明在本文研究的参数范围内,只有当加热量超过30000W/m2时,流体的热驱动力才能克服阻力影响来驱使流体运动,同时加热端的平均换热系数达到了2500W/m2·K。此换热结构在高密度封装电子器件的冷却设计中将会有良好的运用前景。      

电子封装用Sip/Al复合材料的热物理性能研究

采用挤压铸造法制备了Sip/A l复合材料。材料组织致密,增强体颗粒分布均匀。热物理性能研究表明,复合材料的热导率大于90 W/(m.K),线膨胀系数可在(7.48~9.99)×10-6/K范围内调整。增加基体合金中的Si含量有利于降低材料的线膨胀系数,但同时也会使热导率降低。对复合材料进行退火处理可有效降低其线膨胀系数,提高热导率。Sip/A l复合材料作为新型环保复合材料已经基本满足电子封装高导热、低膨胀的使用要求。     

导热硅橡胶复合材料研究

以甲基乙烯基硅橡胶为基胶,两种不同粒径(3 μm,20 μm)的微米氧化铝为导热填料制备了填充型导热绝缘硅橡胶.研究了不同粒径氧化铝混合填充用量对硅橡胶导热性能、硫化行为、热膨胀系数、热稳定性影响.结果表明,随氧化铝用量增加体系热导率和热稳定性显著上升,线性膨胀系数降低,填料对硅橡胶硫化影响不大.使用电子级玻璃布为增强体制得了热导率达0.92 W·(m·K)-1、电绝缘和力学性能优良,适宜作为绝缘导热场合的热界面使用的导热硅橡胶复合材料.     

沥青基碳纤维热导率的间接法测量

文摘采用"四探针法"测定6种沥青基碳纤维单丝的轴向电阻率,通过3个经验公式计算得到其热导率,再将计算值与厂商公布值进行对比分析。结果表明:对于热导率600或300 W/(m·K)的碳纤维采用公式λ=1261/ρ计算得到的热导率值与厂商公布值最为吻合,而对于热导率在300~600 W/(m·K)的碳纤维采用公式λ=440 000/(100ρ+258)-295计算得到的热导率值与厂商公布值最为吻合。以此测试值为基础,建立了沥青基碳纤维单丝电阻率与其热导率的函数关系λ=152 740/(100ρ+22)-26,具有更强的普适性。     

摆盘流动与换热性能数值仿真

针对受燃烧室出口高温燃气冲刷的摆盘装置的冷却水回路,建立二维、三维物理仿真模型,模拟了冷却水在内部流道的 流动与换热过程,考察了冷却水进口压力、冷却水流量对流阻和换热性能的影响.结果表明:①摆盘冷却水进口压力由2.3×105Pa提高到8.3×105Pa,摆盘壁温变化微小,结构1壁温升高5K,结构2壁温升高7K;②冷却水进口速度由0.5m/s提高到5.3m/s,结构1壁温降低约120K,结构2壁温降低约100K,冷却效果明显;③结构2通过缩小流道的流通面积,能在更小的冷却水流量的工况下得到更好的换热效果.      

蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统设计与性能分析

为有效解决在日蚀区太阳能热推进器推力失效、电力中断的问题,提出了蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统结构,并对系统各部件建立相关物理数学模型,分析了工质种类、工质流量等因素对推进性能的影响。结果表明,为保证推进器在日蚀区30min内持续提供推力和电力供应,砷化镓热光伏电池在无工质工况下能提供10W左右的低功率电力供应,在设计工况下能提供50W～110W的电力供应;液氢作为工质时,最大比冲将达到806s,随着工质流量的持续增加,比冲损失速率呈现先加快后减慢的变化趋势;液氨作为替代工质具有更快的加热速率,其比冲为240s～300s远低于氢工质比冲,其推力系数1.77要略高于氢工质推力系数1.7。通过本文研究,蓄热式太阳能双模推进系统具有较好的可行性,且推力及比冲适中,有望弥补低比冲化学推进和小推力电推进技术的不足。     

蓄热式加热纯净空气直连台试验能力研究

通过试验对蓄热式加热纯净空气直连台的试验能力进行了研究,包括蓄热过程、放热过程以及燃烧室进口颗粒浓度,以得到其加温能力和空气的纯净度。结果表明:蓄热过程时间较长,蓄热器进口燃气温度需要高于指定温度才能使出口燃气温度达到指定温度;空气流量为2.0~4.0kg/s的高压空气来流通过蓄热器后,温度可以长时间保持恒定,目前可以将高压空气加温到1000℃;燃烧室进口颗粒浓度结果表明,其浓度低,可以忽略,认为此空气是纯净的。     

空心石英纤维/酚醛树脂复合材料的结构与性能

将石英纤维空心化,并通过模压成型方法制备了空心纤维/酚醛树脂复合材料。结果表明,空心纤维的空腔直径为4～7μm,随着纤维空心度增大(0～0.5),纤维的力学强度提高。在相同的纤维体积分数下,当纤维空心度从0增大到0.5时,复合材料的密度和热导率分别从1.63 g/cm3和0.49 W/(m·K)降低到1.46 g/cm3和0.41 W/(m·K),烧蚀性能保持不变。采用此方法制备的空心纤维/酚醛复合材料同时具有良好的隔热、防热性能。     

飞机壁板复杂载荷试验技术

针对火星表面低温大气环境下多层隔热组件隔热性能大幅衰减、不能满足火星车保温需求的难题,提出了一种新型、高效、轻质纳米气凝胶隔热装置设计方法,采用在真空和火星大气环境下导热率极低的纳米气凝胶为隔热材料,通过基于低导热复合材料的盒盖式局部支撑封装、气凝胶与结构间填充缓冲泡沫进行多余物过滤、铺设反射屏进行辐射漏热隔离、开设排气孔等设计方法,解决了力学性能增强、多余物控制、辐射漏热隔离、快速泄复压等工程应用难题,成功完成纳米气凝胶在祝融号火星车的工程应用。地面试验测试结果表明,1 400 Pa、二氧化碳气氛、25℃时纳米气凝胶隔热装置总导热系数低至0.008 0 W/(m·K),有力保障了祝融号火星车舱内设备在零加热功率补偿条件下在轨温度仍处于允许范围内。火星车纳米气凝胶隔热装置总质量为5.95 kg,仅占火星车总质量的2.5%。     

正十二烷和甲基环己烷在超燃燃烧室中的点火和稳焰特性研究

主要研究了液态单组份碳氢燃料在超燃燃烧室中的点火和稳焰性能,所用燃料为正十二烷和甲基环己烷,研究结果可以为超燃冲压发动机的燃料制备提供部分依据。试验在以蓄热式加热器为核心的直连式试验台上进行,超燃燃烧室进口总温在1040~1100K范围内,进口马赫数2.03,进口空气流量2.0kg/s左右,点火器为燃气发生器,采用串联凹腔作为火焰稳定装置,在第一个凹腔前常温燃料垂直喷射到燃烧室中。研究结果表明:与正十二烷相比,甲基环己烷在来流总温较低的超声速流中更容易被点燃和实现稳火,但总体来讲,当燃烧室进口总温低于1100K时,常温液态燃料的点火和稳焰性能较差。理论分析了两种燃料的蒸发特性,计算结果表明在来流参数相同时,甲基环己烷的蒸发特性优于正十二烷。利用一维分析方法结合试验测量的壁面静压、燃烧室入口马赫数和空气流量,得到了正十二烷和甲基环己烷不同工况时的总温分布和出口燃烧效率。