加速度环境中环路热管稳态工作性能对比

环路热管在机载电子设备冷却领域具有较大的应用潜力。为了获得环路热管在加速度环境中的工作性能，针对2套具有不同蒸气管线和液体管线结构尺寸的不锈钢-氨双储液器环路热管，搭建了加速度环境中环路热管工作性能实验台，实验研究了2套环路热管在重力环境和1g～7g逆加速度环境、100～300 W热载荷下的稳态工作性能，结合工质受力分析，建立了加速度环境中双储液器环路热管系统流阻预测模型，分析了不同加速度大小、热载荷、热管结构形式对环路热管工作性能的影响规律及作用机理。结果表明：在重力环境中环路热管工作温度随热载荷变化呈“V”型趋势。逆加速度会引起回路流阻增大，导致工作温度升高甚至超温，对液体管线较长的环路热管尤为明显。1g和3g逆加速度、小热载荷时液体管线较长的环路热管工作温度低于蒸气管线较长的环路热管，而在5g和7g逆加速度时则相反。在重力环境和逆加速度环境中，蒸气管线较长的环路热管的可变热导区与固定热导区临界热载荷均在200 W左右。研究结果对机载电子设备冷却用环路热管的设计具有指导意义。     

热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用

针对机载电子设备的高热流密度和关键器件的高功耗,采用相变传热的微热管散热技术,在保持原受限空间和模块安装方式的前提下,研制出不同结构形式的热管散热模组。其结果证明,在满足机载使用要求和工作条件下,热管散热模组能有效解决高功耗器件的散热问题,实现电子模块的控温和均温,突破了机载电子设备结构热设计的瓶颈。本文结合实例从微热管结构对传热性能的影响研究、热管散热模组研制、数值模拟等方面介绍热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用,为微热管散热技术在机载电子产品领域的工程应用提供了重要的参考价值。     

不凝气体对环路热管工作性能的不利影响

通过向环路热管内充装定量氮气来模拟实际不凝气体的生成,考察了不同不凝气体含量、热载荷和热沉温度条件下,环路热管工作性能的变化.结果显示不凝气体对工作性能造成的不利影响体现在:取决于热载荷和热沉温度,可导致稳态工作温度升高2~10℃;在小于60W的热载荷区间或者-5℃的热沉温度条件下,不凝气体导致的不利影响更加显著;改变控温性能,产生一个故障热载荷区间;启动时间、启动温度、启动温升增大;引发温度波动现象和系统运行失效.基于特征点温度的变化特性,分析并讨论了不凝气体影响环路热管工作性能的物理机理.     

机载激光武器热管理系统研究

配备激光武器是下一代军用飞机的典型标志之一。激光武器将电能转换为激光的效率仅为10%~20%,导致激光武器工作周期内热载荷达到106W量级。在短时间内要将如此大的热量实时消散所需的冷却系统十分庞大,这与机载设备的体积重量要求相矛盾。讨论了未来机载激光武器热管理解决方案及其可能采用的技术,如相变储能技术、环路热管技术、强化换热技术等。通过分析认为,相变储热技术的应用能够有效应对高功率激光器热流对机载热管理系统的冲击,是飞机热管理系统未来发展的一种必然趋势。     

高速飞行器综合热管理方案快速仿真平台

高速飞行器面临严峻的外部气动热和内部设备热环境,以热防护系统和热管理系统组成的综合热管 理方案决定该类飞行器总体方案的闭合性,因此需要在飞行器初步方案设计阶段对综合热管理系统设计方案 进行快速仿真计算和可行性评估。以电子设备舱为例,采用模块化设计和一维简化方法,构建一个将飞行器热 源、传热和热控等热环境因素进行模块化封装的快速仿真平台;通过仿真算例对该平台进行验证。结果表明: 该平台可以快速实现飞行器电子设备舱综合热管理方案的模型搭建、计算与评估。     

NASA扩展光纤传感器的应用

NASA将光纤应力和变形传感器的应用领域扩展到了航天飞机的热防护结构监视和可变机翼战斗机复合材料蒙皮的监视上。     

非结冰气象条件下机翼热气防冰系统数值模拟

为了在自然结冰飞行前预估飞机防冰系统的性能,减少飞行风险,开展了非结冰气象条件下飞机机翼热气防冰系统的数值模拟研究。数值模拟采用了计算流体力学方法;外部对流传热系数的计算采用附面层积分方法。机翼热气防冰系统表面温度的计算是将蒙皮外部散热热流、内部热气加热热流以及蒙皮导热三者进行热耦合,并进行了改进,改进的方法不要求防冰腔内、外两套网格在重合面网格处一致,是通过双向线性插值将一方面网格信息插值传递到另一方表面网格上,提高了计算效率。     

整体成型复合材料模型机翼设计、制造与验证

根据给定的外形设计了四种不同结构形式的复合材料模型机翼,通过对所采用树脂基体的化学流变特性的研究,确定其最佳固化工艺条件.采用整体成型技术制备了四种全复合材料模型机翼,并进行了三点弯曲试验.结果表明,工字梁结构形式的模型机翼具有最高的载荷重量比,其次为C型梁机翼,而蒙皮-夹芯机翼的载荷重量比最小.其中,蒙皮-夹芯模型机翼在测试中表现为加载点上蒙皮压缩破坏;蒙皮-加筋机翼则表现为支点处的剪切破坏;梁式结构机翼均表现为支点与加载点中间的前缘剪切破坏.采用有限元分析模型机翼的强度与破坏过程,其结果与试验结果吻合良好.     

用于发动机羽流试验研究的液氦热沉设计

超低温大型卧式热沉采用液氦制冷,将在国内实现热沉表面温度低于10K,主要用于航天发动机羽流效应试验,同时兼顾卫星等热真空试验.热沉主体结构为卧式圆筒型,为减小热损失,液氦热沉去掉了骨架,外部装有液氮热沉,两者采用一体化设计,液氮热沉既做液氦热沉的防辐射屏,又做液氦热沉的支撑.为增大抽速,舱体封头端设计了可拆卸的羽流吸附泵.羽流试验时液氦热沉、羽流吸附泵通液氦制冷,液氮热沉通液氮制冷,各部分热沉单独供液.对此大型热沉进行了方案设计、参数计算,对热沉预冷及稳态工况时的液氮、液氦消耗量进行了估算,分析了羽流试验时热沉抽气速率随试验工质温度的变化关系,得出液氦热沉对氮气的抽气速率可以达到107L/s量级.      

机载电子设备通风冷却系统及其设计标准化

阐述了机载电子设备通风冷却系统是有效保证电子设备正常工作的环控系统,它的设计成功与否直接关系到电子设备乃至整架飞机的可靠性、寿命以及全寿命周期费用;高压除水制冷系统是今后的发展方向。以GJB　28 82－97《机载电子设备通风冷却系统通用规范》为主线,结合相关国军标、航标、美军标以及ARINC标准,并根据新机研制实践,归纳总结了该系统设计中的主要问题,如冷却方式、设计中应考虑到的主要问题、热设计和热接口设计、热性能鉴定以及军民用飞机电子设备通风冷却系统设计要求的对比。     

仿生毛细芯平板热管性能研究

为解决电子设备热管理问题，根据亲水性植物叶片表面微观凸起结构，以颗粒直径为75μm的电解铜粉为材料烧结制备了锥形毛细芯，制造了3种平板热管:普通蒸发段（No.1）、超亲水蒸发段（No.2）、超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配（No.3）。以去离子水为工质，研究了加热功率、角度等因素对3种平板热管热性能的影响。结果表明:角度对3种平板热管的热性能影响不大，3种平板热管均具有较好的抗重力特性。超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配的平板热管热性能最佳，当倾斜角为0°、加热功率为140.4W时，蒸发段中心点温度仅为67.0℃。超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配的平板热管不仅具有最小蒸发热阻，最小值可达0.05K/W，而且具有最小冷凝热阻，最小值可达0.02K/W。      

深冷环路热管稳态运行特性的理论分析

基于能量平衡、压力平衡以及质量守恒,建立了氮工质深冷环路热管(CLHP)的稳态数学模型,模拟结果同实验数据具有良好的一致性.应用该模型对CLHP的稳态运行特性进行了理论分析,考察了寄生热载荷、次蒸发器功率等对CLHP运行性能的影响,并得出如下结论:同常温环路热管相比,CLHP的传热能力明显减小;当主蒸发器热载荷较小时,寄生热载荷以及反重力高度的存在使CLHP的稳态运行温度明显升高,而通过对次蒸发器施加功率可显著改善CLHP的工作性能;CLHP最高运行温度/压力随储气室容积的增大而减小,相应的,其最大传热能力将受到限制.      

小型平板回路热管蒸发器内传热与流动的三维数值模拟

针对小型平板回路热管蒸发器内的流动与传热，建立了多区域耦合的数学物理模型，并应用FLUENT软件进行了三维数值模拟。结果表明:蒸发器传热特性在不同热负荷下呈现出较大的差异，其温度分布不仅取决于热负荷，更依赖于毛细芯表面发生的两种传热机制，即毛细蒸发和热传导。相比高热负荷(Q=120W)和低热负荷(Q=40W)，中等热负荷(Q=80W)下蒸发器各个部位的温度均较低。三种不同热负荷下，毛细芯反向导热均大于侧壁漏热，补偿腔内与毛细芯相邻处易出现高温区。冷凝回流液在补偿腔内的流动形成两个涡，这种流动特点有利于降低毛细芯的温度。当热负荷与系统冷凝能力匹配时，整个系统流动与传热特性最优。      

倾斜微槽道热管中纳米流体的应用

为了研究热管倾斜角度和压力对热管蒸发段、冷凝段传热系数以及最大换热功率的影响,对使用水基CuO纳米流体为工质的倾斜微槽道热管强化换热特性进行实验研究.实验装置主要由带角度调节功能的微槽道热管和加热、冷却系统组成.实验结果发现,用水基纳米流体替代去离子水为工质时,热管整体换热特性得到明显增强,蒸发段、冷凝段传热系数以及最大功率都能大幅度提高,总热阻明显降低.倾斜水热管的蒸发段和冷凝段传热系数比水平水热管的有大幅提高,但最大功率变化不大.而倾斜纳米流体热管不但蒸发段和冷凝段传热系数比水平纳米流体热管有大幅提高,而且最大功率更有接近一倍的增加.对水和纳米流体两种工质,对应于最佳换热特性的倾斜角都是75°.因此,纳米流体对倾斜热管有良好的应用前景.      

红外窗口不同冷却方式下的结构传热和热应力特性计算研究

对外冷喷流和内冷管流等不同冷却方式下的红外窗口传热和热应力进行了数值计算研究.窗口结构传热和热应力采用有限元方法求解,带外部冷喷流窗口外表面气动加热率则通过对带冷源项的N-S方程求解给出,当采用管流冷却时,管流液体温度和窗口结构温度通过耦合迭代方式统一求解,管流和壁面间的换热系数采用工程关联公式估算.研究表明,在达到来流总温以前,窗口各点温度和热应力随加热时间单调上升,各时刻最大温度发生在外表面;而最大热应力则发生在合金材料内部.两种冷却方式对比表明,外冷方式对于窗口整体温度和热应力的降低十分有效,但具体到局部重要部位,外冷方式效果不如内冷,内冷方式对于管道附近部位具有更好的降温和降低热应力效果.因红外窗口尺度限制,冷却管道流动雷诺数偏小,流动为层流态,这限制了冷却管换热效率的提高,因此建议增加管道数目和管壁粗糙度来强化冷却.     

基于内外传热耦合的热气防冰系统仿真计算

基于内外传热耦合原理,建立了热气防冰系统的AMESim仿真模型,研究热气防冰系统在不同引气状态下,管路流量、压力及蒙皮温度的变化规律.采用所建立的仿真方法,计算飞机机翼热气防冰系统的内部流动特性和内外耦合传热特性,将计算结果与热气防冰系统流量分配试验结果进行对比.结果表明:管路流量、压力和蒙皮温度的仿真计算结果与试验结果最大误差为9%,验证了该仿真模型的正确性.在此基础上,对飞机短舱热气防冰系统进行了仿真,分析了飞行包线下系统内外的换热、温度变化、加热效率等关键参数的瞬态特性.仿真结果为热气防冰系统的设计、分析与优化提供依据.      

双储液器环路热管稳态运行特性的实验研究

 双储液器环路热管的独特设计可以解决常规单储液器环路热管地面重力场中运行姿态受限的问题,拓展常规环路热管的应用领域。对双储液器环路热管在3种特定姿态下的稳态运行特性进行了实验研究,验证了双储液器环路热管即使在最为苛刻的姿态下仍可正常运行的能力。通过对实验结果的分析可得：双储液器环路热管在重力辅助姿态下的工作温度偏低是由系统外回路压降变化引起的;可变热导区内工作温度随热载荷的变化是由控温储液器的能量平衡所决定。此外,实验发现双储液器环路热管在热载荷递增和递减过程会出现温度迟滞现象。     

一种两管径式脉动热管的流动与传热特性

为提高脉动热管的传热特性,提出了一种两管径式脉动热管结构,并基于质量、动量和能量守恒方程发展了适用的物理和数学模型。这种两管径式脉动热管对蒸发段和冷凝段取不同管径,两者的比值定义为直径比,应用上述理论模型分析了直径比对脉动热管运动规律和传热特性的影响。结果显示:采用两管径结构,可以有效提升脉动热管的自激振荡机制,特别是直径比小于1时的情况。而从传热特性而言,相比于传统等管径式脉动热管(直径比等于1),采用直径比小于1的结构可以使脉动热管的热阻明显减小,采用直径比大于1的结构却反而使传热特性下降。     

纳米流体强化倾斜丝网热管换热特性

对纳米流体强化不同倾角轴向丝网热管的换热特性进行了实验研究,实验以水基CuO纳米流体作为工质,在稳压条件下运行,运行压力为7.45,12.38和19.97 kPa(对应的蒸汽饱和温度为40℃,50℃和60℃).实验结果表明,纳米流体质量浓度对倾斜热管的总热阻有明显的影响,存在一个使热管热阻最小的最佳质量浓度,此质量浓度为1.0%.倾角对热管的换热特性有很大的影响,倾角为45°左右时,热管的蒸发换热系数强化率最大.在此倾角下,蒸发换热系数最大增加了20%,热管的总热阻大约降低了15%.而最大热流密度的强化效果则随着热管倾角的增大而增强,最大增加25%左右.      

环境参数对飞机防冰热载荷的影响规律

为在飞机热气防冰系统设计过程中准确计算防护表面的防冰热载荷,以某飞机翼段模型为例,对防冰热载荷计算开展了研究,给出了计算流程,研究了来流速度、高度、温度、液态水含量和水滴直径等环境参数变化对翼段表面热载荷分布规律的影响。研究结果表明:①热载荷主要分布在机翼前缘,且越靠近翼尖部分热载荷数值越大,热载荷曲线呈现中间低两边高的分布;②表面热载荷分布范围和量级与来流速度和水滴直径呈正相关关系;飞行高度的变化对表面热载荷分布的影响较小;来流温度降低或液态水含量增加,热载荷数值增大但分布范围不变;水滴直径增加10 μm,上翼面热载荷分布范围增加约50%。