一种微小型平板式热管的传热性能分析

对一种微小型平板式热管的传热特性在自然对流和强制对流冷却条件下进行了试验研究.并与同尺寸实心铝板的传热性能进行了试验对比.分析了加热功率、冷却强度的变化对平板热管传热性能的影响规律.结果表明:该微小型平板式热管具有良好的启动特性和均温特性.该平板热管的当量导热系数可达到其管壳材料导热系数的12.7倍,强化传热能力的效果相当明显,又克服了传统平板热管抗压能力较差、无法加工较大散热面积的弱点,在电子设备的散热冷却领域具有良好的应用前景.      

Recent active thermal management technologies for the development of energy-optimized aerospace vehicles in China

Recently, the development of modern vehicles has brought about aggressive integration and miniaturization of on-board electrical and electronic devices. It will lead to exponential growth in both the overall waste heat and heat flux to be dissipated to maintain the devices within a safe temperature range. However, both the total heat sinks aboard and the cooling capacity of currently utilized thermal control strategy are severely limited, which threatens the lifetime of the on-board equipment and even the entire flight system and shrink the vehicle’s flight time and range. Facing these thermal challenges, the USA proposed the program of “INVENT” to maximize utilities of the available heat sinks and enhance the cooling ability of thermal control strategies. Following the efforts done by the USA researchers, scientists in China fought their ways to develop thermal management technologies for Chinese advanced energy-optimized airplanes and spacecraft. This paper elaborates the available on-board heat sinks and aerospace thermal management systems using both active and passive technologies not confined to the technology in China. Subsequently, active thermal management technologies in China including fuel thermal management system, environment control system, non-fuel liquid cooling strategy are reviewed. At last, space thermal control technologies used in Chinese Space Station and Chang’e-3 and to be used in Chang’e-5 are introduced. Key issues to be solved are also identified, which could facilitate the development of aerospace thermal control techniques across the world.     

Review on active thermal protection and its heat transfer for airbreathing hypersonic vehicles

Hypersonic vehicles with turbojet, ramjet, and scramjet engines are expected to be widely applied to future transportation systems. Due to high-speed flight in the atmosphere, body outer surfaces suffer strong aerodynamic heating, and on the other hand, combustion chamber inter walls are under extremely high temperature and heat flux. Therefore, more efficient and stable active cooling technologies are required in hypersonic vehicles, such as regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, as well as their combinations. This paper presents a comprehensive literature review on three active cooling methods, i.e., regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, and deeply analyzes the mechanism of each cooling method, including the fluids flow, heat transfer, and thermal cracking characteristics of different hydrocarbon fuels in regenerative cooling, the heat transfer and flow mechanism of film cooling under supersonic mainstream conditions, and the heat transfer and flow mechanism of transpiration cooling.     

全离散孔气膜冷却实验研究

模拟加力燃烧室工况, 采用两种不同开孔率的离散孔板, 研究了在不同温度、压差等情况下的冷却效率和换热系数, 得到了一些有价值的冷却换热规律及相应的实验公式。      

卫星MEMS热控系统的动态特性及自主控制策略

在卫星热控系统中将高效冷却技术与系统层次的智能控制策略相结合是完成航天热控任务的理想候选方案。针对一种基于微机电系统(MEMS)的微槽道换热器和微百叶窗在卫星主动热控系统中应用的方案,应用集总参数法建立了受控对象的系统动态响应模型;提出了一种引入外热流协调因子和专家智能整定比例-积分-微分(PID)控制相结合的自主温度控制策略;完成了其在纳卫星上应用效果的仿真研究。仿真结果表明:自主温度控制策略能够根据当前的控制局势及变化趋势对多个被控量进行自主协调,不但能够有效满足星载电子设备的苛刻温控要求,同时也是实现卫星高度自主飞行的关键技术之一;该温度控制策略同样适用于其他控制场合。     

不同进气方式对机载电子设备气冷冷板性能影响

电子设备的热负荷占到了航空器全机热负荷的60%以上,高温失效是电子设备失效的主要形式,采取合理的散热手段及时带走电子设备产生的热量对飞行安全和电子设备工作的稳定性有着至关重要的影响。文章利用计算流体力学方法(CFD)对某机载电子设备用气冷冷板进行了传热模拟,通过改变入口速度以及冷空气的流动方式,得到不同工况下气冷冷板各位置的温度分布和工作性能。研究结果显示,入口速度增加会使冷却效果得到提升,但同时增加了流动阻力使得设备工作的稳定性下降。另外,流动方式一(中间进两侧出)的冷却效果优于流动方式二(两侧进中间出),流动方式二的工作噪音和流动阻力优于流动方式一,可根据实际需要进行选择。     

飞行器热防护与利用一体化系统实验与模拟

通过设计一种基于主动冷却的点阵桁架结构,在降低飞行器质量的同时,实现有效的热防护效果,并在该结构中加入半导体温差发电装置,将产生的气动热转化为电能,可用于飞行器小型用电设备供电.对该热防护与利用一体化系统进行了实验研究.在不同工况下,温差发电功率远大于主动冷却系统的泵功消耗,可实现主动冷却系统的自驱动.通过添加管内表面...     

Experimental study on dynamic behavior of mechanically pumped two-phase loop with a novel accumulator in simulated space environment

Mechanically pumped two-phase loop (MPTL) which is a prominent two-phase heat transfer technology presents a promising prospect in thermal control for space payload. However, transient behavior of MPTL caused by phase-change and heat sources load-on/off in simulated space environment is rarely reported. In the present study, one MPTL setup was designed and constructed, and experimentally studied. Particularly, a novel two-phase thermally-controlled accumulator integrated with passive cooling measure and three capillary structures was designed as the temperature-control device. Dynamic behavior of the start-up, temperature control, and temperature adjustment were monitored; meanwhile, thermodynamic behavior within the proposed accumulator, the operating behavior as well as the heat and mass transfer behavior between the main loop and the accumulator were revealed. The results show that the fluid management function of the capillary structures for the novel accumulator is verified. The working point of the MPTL system can be adjusted by changing the temperature control point of the accumulator and it is little influenced by external heat flux and heat sources on/off. Pressure-drop oscillations which are manifested as fluctuations of temperature and pressure can be observed after phase changing due to the compressible volume within the accumulator and the negative-slope portion of the internal pressure.     

多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的数值研究

为深入理解多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的特性，基于开源计算软件OpenFOAM对超临界RP-3的流动换热过程进行数值模拟。采用广义对应状态法则对碳氢燃料替代模型的物性进行计算，湍流模型选用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型。与实验数据比较，热流密度为300~400kW/m2内的计算壁温平均误差小于3%。研究分析了换热恶化机理，讨论压力、进口温度、热流密度与质量流量之比对RP-3换热特性的影响。结果表明:拟临界温度附近RP-3热物性的剧烈变化是强制对流下发生换热恶化的主要原因；提高压力、降低热流密度与质量流量之比或减小进口温度是避免流体在拟临界温度附近发生换热恶化的有效措施；提出了换热恶化预测关联式，为主动再生冷却技术提供参考。      

网格阵列填充冷却通道内超临界正癸烷流动传热特性的数值研究

采用碳氢燃料冷却壁面是超燃冲压发动机常用主动冷却方式。为减轻主动冷却通道结构重量、提高冷却效率,本文探讨了以网格结构为填充的新型通道,从结构轻质化、流动特性及综合传热能力等方面与常规矩形主动冷却通道进行了比较。结果表明,在相同工况下,由错排网格填充的冷却通道结构综合性能最佳,其减重效果达39.93%,壁面温度显著下降,且努塞尔数最高达到光通道的2.156倍。从流动传热机理分析可看出,网格前缘冲击效应形成的马蹄涡和后缘附近发卡涡结构对强化传热贡献最大,扰动边界层和激发湍动能也是强化传热的重要因素。     

复合材料主动冷却薄壁燃烧室设计分析

通过建立流固耦合传热模型,对不同尺寸冷却通道的主动冷却薄壁燃烧室结构瞬态传热特性进行数值模拟,给出了主动冷却燃烧室的瞬态温度场分布及其演化.再采用有限元法计算燃烧室的热应力和应变,从而揭示了冷却通道几何参数及内部煤油体积流量对燃烧室薄壁结构最高温度和热应力的影响规律.计算结果表明:在充分发挥煤油冷却效果前提下,冷却通道距离燃烧室内壁距离越近,所需煤油体积流量越大,而燃烧室结构热应力在10s左右达到最大值,设计时应着重考虑这段时间内的材料性能.      

点阵夹芯主动冷却结构发展现状与展望

点阵结构呈周期性规则形状,具有比强度高、比刚度高、轻质及换热效率高的特点,是当前国际上公认的具有广泛应用前景的结构。将点阵结构应用于主动冷却技术,形成点阵夹芯主动冷却结构是解决超燃冲压发动机热防护问题的有效手段。点阵结构的发展离不开制备工艺的进步,本文对传统机械加工工艺与增材制造技术用于点阵结构制备的原理与现状进行了综述,通过文献调研归纳总结点阵结构单元、设计尺寸以及与其他强化换热结构的协同作用对换热性能的影响;在此基础上分析点阵夹芯主动冷却结构在超燃冲压发动机中的潜在应用价值,针对其工程应用提出下一步的发展建议。     

层板推力室再生冷却通道的传热特性分析

提出液体火箭发动机层板推力室再生冷却通道传热过程的数理模型。采用通用形式控制方程处理冷却剂紊流换热和通道材料导热的共轭传热问题，计算采用LVEL紊流模型，并考虑冷却剂（氢）的热物性参数随温度和压力的变化及层板材料热物性随温度的变化。结果表明，采用大高宽比、小气壁厚度的通道设计，可显著提高再生冷却能力，降低室壁温度和温差。采用对流换热系数和热物性为常数的简化处理会引起很大误差。     

一种再生冷却面板的温度控制热设计方法

通过分析再生冷却通道的换热特性及其影响因素,基于材料许用温度限制,提出了一种再生冷却面板的温度控制热设计方法.通过设计冷却面板的通道结构,改变通道的传热性能,使冷却面板内不同位置的通道具有不同的冷却能力.采用有限体积法结合蒙特卡罗法及对流换热实验关联式,数值模拟了温度控制热设计方法下再生冷却面板的冷却作用,结果显示该方法在适应非均匀热流密度分布的同时满足结构材料的许用温度限制,保证了结构的热可靠性.      

层板冷却结构强化换热机理

应用简化的换热模型分析了影响层板冷却效果的因素,得出了燃气侧气膜冷却效率η_f,层板内部换热效率η_i和参数f是影响冷效的决定因素。为了研究层板强化换热机理,提高其内部换热效率η_i以优化层板传热设计,本文在相同的两侧换热条件和冷气密流下,对5种相同孔径、通道高度和开孔率,不同内部绕流形式的层板结构和1种双层壁结构进行了流固耦合传热计算,得到了其综合冷却效率。结果表明层板结构的综合冷却效率明显高于双层壁;冷气沿程吸热焓增带走了大部分从燃气侧进入层板的热,并且冷气与层板内表面的换热主要发生在出气板上,扰流柱的存在增加了换热面积,一定程度上增强了换热;合理设计绕流结构有利于改善层板的热均匀性。      

高压涡轮导叶内冷通道流动特性计算分析

涡轮叶片内部冷却特性直接影响到叶片的壁面温度分布,必须对其展开详细的研究。本文利用网络法计算研究了某高压涡轮导叶内部冷却通道中的流动和换热特性,并进行了相应的流量特性试验研究。结果表明,改进后的计算程序可以较为准确地模拟出叶片内部冷却通道中的流量分配和压力、温度分布,以及冷气沿径向和弦向的压力损失。流量特性计算结果与试验结果吻合较好。      

敷设热障涂层气冷叶片温度分布数值研究

针对一种内冷通道射流腔交替布置在压力面和吸力面的叶片冷却结构,利用FLUENT软件对敷设热障涂层的气冷叶片温度分布进行了三维共轭传热计算,分析了热障涂层厚度对叶片金属基体表面温降水平的影响,同时对比了有/无考虑燃气与叶片表面辐射换热的叶片表面温度分布差异.研究结果表明:在叶栅通道燃气流进口总温为1600K、冷却气流进口总温为700K的条件下,当冷却气流与主流流量之比约为7.47%、热障涂层厚度为0.2mm时,该叶片冷却结构的最高温度可以控制在1100K以内;在假设热障涂层表面发射率与金属壁面发射率相同的前提下,厚度0.15~0.35mm的热障涂层可获得的最大降温大约在80~180K范围内;考虑/不考虑辐射换热的叶片表面最大温差可以达到60K.      

离心力场下细微封闭通道内R12的热驱动换热研究

本文以试验的方法,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技术。主要讨论了封闭循环通道宽度d为1mm,氟利昂R12为工质的热驱动流动和换热特性,重点分析了随转速(即离心加速度)的变化,R12的热驱动流动和换热变化规律,以及热端壁面的温度分布及变化规律。研究结果表明:离心力场下流体热驱动流动和换热特点同重力场下基本相似;随着转速的提高,R12的热驱动强度不断增加,热端壁面温度逐步下降,同时热端壁面的温度梯度也逐渐降低;在转速为1140r/min时,总平均传热系数达到了1550W/m2·K。      

超临界压力下正癸烷在水平矩形冷却通道内的流动传热数值模拟

为了研究浮升力效应对超燃冲压发动机燃烧室不同位置冷却通道传热特性的影响,对超临界压力下正癸烷在水平矩形冷却通道内的流动传热-固体导热耦合过程展开了详细的数值模拟研究。重点考察了燃烧室不同位置的冷却通道中浮升力对温度以及热流分配的影响及其机理。结果表明：由浮升力引起的二次流动使燃烧室不同位置的冷却通道温度分布和热流分配呈现显著的差异;浮升力提升了燃烧室不同位置冷却通道的换热效果,其中受热方向和重力作用方向相同的冷却通道换热性能提升得最多;修正的Jackson&Hall经验公式不能预测浮升力对冷却通道壁面对流换热的影响,需要寻找其他的经验公式或使用CFD手段进行计算分析来解决这一问题。     

竖直圆管内浮升力对超临界碳氢燃料裂解传热传质特性的影响

为了探究再生冷却过程中,浮升力对竖直圆管内超临界碳氢燃料裂解传热传质特性的影响,基于详细裂解反应动力学模型,建立了同时考虑碳氢燃料流动传热和裂解吸热的耦合算法,在此基础上对竖直管道内,浮升力对超临界RP-3的流动、传热和裂解反应的影响展开了数值研究。计算结果表明：与不考虑浮升力的情况相比,在浮升力影响显著的条件下,浮升力增强了向下流动的碳氢燃料壁面处与中心流区域的传热传质过程,燃料温度和裂解率的径向分布更加均匀,燃料吸热能力增强,换热系数上升,同时可以有效地抑制管道壁面上结焦的生成;而对于向上流动的流体,浮升力不利于壁面处与中心流区域的传热传质,导致冷却通道内碳氢燃料温度和裂解率径向分布的不均匀性增强,燃料吸热能力降低,换热系数下降,同时增加了管道壁面上的结焦量;同时,为了更好地理解浮升力的影响,本文还对不同壁面热流密度下向上和向下冷却通道内超临界碳氢燃料的裂解传热特性进行了分析;判别式Bo^*<6.0×10^-7不能准确地预测竖直管道内浮升力对超临界碳氢燃料裂解换热的影响。