空间发电系统热管式吸热器热性能分析

为了提高吸热器的热性能、降低吸热器的质量,将热管用于空间太阳能热动力发电系统的吸热蓄热器,建立了相应的物理和数学模型,给出了数值求解方法,计算了蓄热容器最高温度、热管最高壁温、工质出口温度、相变材料(PCM)熔化率等参数,并与基本形吸热器进行了对比,验证了PCM的储热能力,减小了工质气体出口温度的波动。计算结果可用于吸热器的设计。      

空间站高温固液相变蓄热容器的实验研究

相变材料(PCM)容器是空间太阳能动力装置吸热—储热器的关键部件。吸热器的蓄/放热性能及其寿命取决于PCM容器的设计与制造是否可靠。文中对PCM容器的结构设计及其制造工艺、PCM的充装工艺、PCM的熔化—凝固特性和空穴的形成、PCM熔点及相变潜热的测量以及PCM与容器材料的相容性这些关键问题进行了试验研究。      

基于正十四烷微胶囊和微封装技术的相变材料技术研究

针对航天器对相变强化传热技术的需求,以及对热控系统的技术要求,开展了基于正十四烷为代表的低温相变材料微胶囊包覆技术和相变温控装置研制,通过表面封装和导热增强技术处理,提高了相变材料在热控领域应用的稳定性和可靠性;依据航天器热控系统运行条件,分别通过了鉴定级的热真空、辐照、热循环等环境试验,及随机振动、正弦振动和冲击等力学试验考核,为实现航天器轻质、高效、高精度的热控形式提供新的技术方法。     

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.      

微重力下复合相变材料的热控性能数值仿真

针对航天器电子设备的热控问题,选择石蜡作为相变材料,以Al_2O_3粉末作为导热增强剂,基于焓-多孔模型与相变储能结构的被动热控技术,通过数值仿真求解了不同组分下复合相变材料的熔化过程,得到了温度分布、固液界面等数据,分析了热控效果,同时还分析了重力与微重力对熔化过程的影响。结果显示,在重力条件下,可将加热面温度控制在50～58℃,而掺混Al_2O_3粉末在增强导热系数的同时抑制了自然对流,整体传热效率降低,因此不同Al_2O_3质量分数下的复合相变材料2%的热控效果优于5%;在微重力条件下,因为没有自然对流的影响,随着Al_2O_3的增加,熔化效率提高,Al_2O_3质量分数为5%的复合相变材料相比于2%的质量分数具有更佳的热控效果。     

八水氢氧化钡相变材料的强化传热实验

采用差示扫描量热法(DSC)对八水氢氧化钡相变材料进行热物性分析,总结出一种针对结晶水合盐相变温度与潜热准确可靠的测量方法.通过扫描电子显微镜(SEM)获得相变材料与金属容器截面腐蚀情况的图像,证明八水氢氧化钡与紫铜有优良的相容性.分别对含/未含泡沫铜的固液相变蓄热体进行实验研究,结果表明:泡沫铜填充使相变材料在固相区内熔化时间减少了26%,增强了相变材料的传热效果,而且将八水氢氧化钡过冷度降低了50%.      

空间站太阳能吸热器蓄热性能地面模拟试验

利用相变材料 (PCM)的熔化潜热来蓄热可以保证空间站太阳能热动力系统在轨道的阴影期内仍能连续发电。针对这一核心技术 ,建立了空间太阳能吸热 -储热器单元换热器地面模拟实验台。在模拟轨道条件下 ,对不同入射热流、不同工质进口温度及不同工质流量进行了多种组合测试。结果表明 ,单管工质气体的出口温升在轨道的日照期和阴影期都达到了预期的要求 ,相变材料容器的最高温度和平均温度都处于材料的安全范围内。     

太阳能热动力系统吸热/蓄热器能量分析

空间太阳能热动力发电系统是一种新型的空间电力系统。吸热 /蓄热器是热动力发电系统关键部件之一。吸热 /蓄热器采用的蓄热方式是相变蓄热。通过对吸热 /蓄热器的能量分析 ,可以很好的了解吸热器的能量传递 ,以及相变材料的工作过程。建立了太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型 ,结合换热管的传热模型计算了吸热器的传热过程。得到了吸热器的能量损失、工质吸收能量、PCM的潜热储能和显热储能等重要指标 ,并且得到了换热管最大温度 ,工质出口温度等重要结果。计算结果可以用于吸热器的设计     

接触热阻对固体火箭发动机烤燃时间的影响

应用有限元法对某模拟固体火箭发动机的热烤试验过程进行了数值模拟研究,对比分析了在相同的外界条件下,考虑接触热阻与不考虑接触热阻时推进剂的起始燃烧时间。结果表明,考虑接触热阻的影响对于准确预测发动机的烤燃时间有重要的影响。     

十八烷-棕榈酸/膨胀石墨相变储能材料的制备与性能

以十八烷和棕榈酸的低共熔物作相变材料,膨胀石墨为基体,采用真空浸渗方法,制备出十八烷-棕榈酸/膨胀石墨相变储能材料。由于膨胀石墨的多孔结构,其毛细作用力和表面张力使得相变材料在发生固液相变的过程中,失去了流动性。采用DSC,ESEM、熔化凝固过程分析对相变储能材料进行了结构和热性能研究。结果表明,癸酸-月桂酸被有效地包封在多孔石墨孔内,膨胀石墨作为基体材料,较大的提高了相变材料的导热率,同时该储能材料还具有较高的相变潜热和较好的热稳定性,可被应用于储能和热能回收系统中。     

An equivalent ground thermal test method for single-phase fluid loop space radiator

Thermal vacuum test is widely used for the ground validation of spacecraft thermal control system. However, the conduction and convection can be simulated in normal ground pressure environment completely. By the employment of pumped fluid loops’ thermal control technology on spacecraft, conduction and convection become the main heat transfer behavior between radiator and inside cabin. As long as the heat transfer behavior between radiator and outer space can be equivalently simulated in normal pressure, the thermal vacuum test can be substituted by the normal ground pressure thermal test. In this paper, an equivalent normal pressure thermal test method for the spacecraft single-phase fluid loop radiator is proposed. The heat radiation between radiator and outer space has been equivalently simulated by combination of a group of refrigerators and thermal electrical cooler(TEC) array. By adjusting the heat rejection of each device, the relationship between heat flux and surface temperature of the radiator can be maintained. To verify this method,a validating system has been built up and the experiments have been carried out. The results indicate that the proposed equivalent ground thermal test method can simulate the heat rejection performance of radiator correctly and the temperature error between in-orbit theory value and experiment result of the radiator is less than 0.5 C, except for the equipment startup period. This provides a potential method for the thermal test of space systems especially for extra-large spacecraft which employs single-phase fluid loop radiator as thermal control approach.     

接触特性对非连续性转子热致振动的影响

针对燃气轮机转子的非连续性结构间存在的接触特性,根据微凸体理论引入接触刚度和接触热阻的等效模型,建立了某型燃气轮机非连续性转子的动力学模型,分析了接触参数对转子稳、瞬态动力学特性的影响,研究了螺栓松动引起的转子热变形及其对转子快速启动过程中振动特性的影响.结果表明:预紧力、接触面的表面粗糙度和螺栓个数对转子临界转速有一定的影响,螺栓松动导致转子在启动过程中瞬态热变形最大达到7μm,过1阶临界转速时引起的转子最大响应幅值增大约30μm.在非连续性转子系统的热致振动特性分析当中,不应忽视接触参数、接触刚度和接触热阻的影响.      

考虑接触热阻的非连续转子快速启动热分析

针对燃气轮机转子非连续性的结构特点，通过考虑粗糙表面的接触热阻，建立了螺栓联接结构的热 结构耦合分析模型。研究了快速启动过程中轮毂间接触面上的温度分布及最大应力的变化规律，并分析了表面粗糙度和预紧力等接触参数对接触面间的温度分布、拉紧力及最大应力的影响。结果表明:热冲击下粗糙表面间的接触热阻对接触面的温度分布及最大应力影响明显，接触参数对螺栓联结结构的温度场、应力场及热变形特性影响较大。研究成果可为燃气轮机转子设计、热致振动分析及故障诊断提供理论依据。      

C/C复合材料与高温合金GH600之间高温接触热阻的试验研究

 在高超声速飞行器翼前缘的热防护技术方面,采用内置高温热管是一种新型高效的热防护方法,其中C/C复合材料结构与内置高温热管之间的界面接触热阻对传热效率及热力耦合起着至关重要的作用。本文自主搭建了一套高温接触热阻试验平台,并针对三维编织C/C复合材料与高温合金GH600在不同界面应力、界面粗糙度及界面温度下的接触热阻进行了试验研究。研究结果表明本平台在进行高温接触热阻试验研究上是切实可行的,利用该试验平台得到了三维编织C/C复合材料与高温合金GH600之间接触热阻的变化规律,有关结果可以为中国新型内置高温热管热防护结构的设计及安全评估提供参考。     

相变调温服相变传热研究(英文)

为了研究相变调温服的热防护性能,介绍了人体热调节模型,利用焓法建立了相变传热数学模型。在整个区域建立统一的能量方程,采用控制容积有限差分法对方程进行隐式离散,用追赶法求解方程组得到各节点的焓值,求出相变材料内表面的温度。通过相变调温服人体热调节模型,计算出人体的动态温度分布及出汗量。计算结果表明,核心温度的变化与试验结果相符,出汗量相差不大,所建相变传热模型合理可靠。通过比较人体穿着相变调温服和未穿该服装时的动态温度分布及出汗量,可以看到穿着相变调温服能显著地减轻人体的热负荷。     

接触热阻对疏导式热防护结构防热效果的影响

采用内置高温热管的疏导式热防护结构是一种新型高效的热防护方式,热管与高温复合材料之间的接触热阻(TCR)对防热效果有重大的影响。首先给出了一种疏导式热防护结构的计算模型,进而采用间接耦合的方法建立了由接触热阻引起的热力耦合问题的计算格式,在此基础上对不同预留间隙条件下的热防护结构进行了热力耦合分析,重点考察了接触热阻对其防热效果的影响。研究结果表明,采用预留装配间隙的方法可以有效降低结构的应力水平,但同时使得界面接触热阻增加,从而使得结构驻点温度升高,因此在采用预留间隙设计时必须在考虑界面接触热阻的条件下从结构强度和温度两方面对结构进行安全性评估。     

Thermal performance of a 3D printed lattice-structure heat sink packaging phase change material

Thermal storage technology is becoming more and more significant with the increase of high-power equipment in space applications. In this paper, 3D printing technology and Phase Change Material (PCM) were combined into a Thermal Energy Storage (TES) system, which could fulfill the requirements of light weight and high thermal conductivity. A 3D-printed lattice-structure TES plate with N-tetradecane as the PCM and aluminum alloy as the thermal conductivity enhancer was manufactured, and experimentally tested in a thermal vacuum chamber. In addition, a simplified simulation model of the lattice cell was established to clearly analyze the heat transfer process of the TES plate. The effects of initial temperature distribution and heat load gradient on the thermal storage performances were investigated experimentally and theoretically. The equivalent thermal conductivity of the 3D-printed lattice-structure TES plate turns out to be 13 times of the pure PCM thanks to the aluminum skeleton. The heat transfer enhancement appears at the end of the phase change stage due to the sudden mixture of the PCM with different temperature. The simulation results agree well with the experimental data. The equivalent thermal conductivity obtained by the phase change simulations are a little higher than those of the experiments, which is mainly caused by the initial uneven temperature distribution in the tests. Additionally, the effects of non-uniform heat load and the presence of the PCM in the TES plate are studied. This work successfully validates the feasibility and effectiveness of 3D printing technology and TES technology for the temperature control in space applications.