实践十号卫星蒸发对流箱地面科学实验结果分析

实践十号卫星蒸发对流实验旨在研究置于加热底板的蒸发液滴在相变过程中,表面蒸发与表面张力驱动对流的耦合机理及其不稳定性.为与空间实验结果进行对比,利用蒸发对流箱完成在轨工况的科学匹配实验,获得相应工况的地面科学数据、工程参数及实验图像.通过对地面科学匹配实验结果进行分析,得到不同工况下液滴形貌（体积、表面积、接触角、液滴高度、液滴直径）变化规律,以及液滴蒸发过程中温度、热流量、蒸发速率和蒸发流量的变化规律.依据实验结果分析研究了具有质量交换的复杂流体相变界面的热质传输规律.      

环肋翅片管相变传热特性及分形优化

基于管壳式相变换热器，通过数值模拟方法研究了35号石蜡在矩形环肋翅片管外的融化传热特性，建立肋片单元三维模型研究热流体温度、肋片高度参数对传热过程的影响，并探究了分形结构翅片的优化传热性能。结果表明:矩形环肋翅片管外相变融化过程分为传热速率差异明显的3段，适用于不同功率需求；提高热流体入口温度和相变材料温差近似等比增强总传热功率；肋片高度由10 cm分别提高至12.5 cm、15 cm时，总融化时间分别缩短42.89%、71.96%，增强传热，但功率重量比降低；分形结构优化翅片总融化时间缩短41.95%，功率提高，为相变翅片管的优化设计提供参考。      

天舟一号货运飞船空间实验装置蒸发相变地面实验

以天舟一号货运飞船为依托,开展空间蒸发相变传热规律的科学实验研究,探索重力对蒸发传热传质过程的影响规律.设计了一套地面蒸发实验平台,以蒸发相变液体FC-72为研究对象,通过红外热像仪测温、热流量计、差分热电偶等手段,观测FC-72液层在不同台面温度、注液量等情况下的相变界面变化、蒸发表面特性、流体物性及Marangoni对流涡胞的变化等,获取其蒸发两相流体的液层温度差、表面温度场、热流量值、蒸发速率和涡胞结构等.实验结果表明:在其他条件不变的情况下,FC-72液层与蒸发台面的温差越高,其蒸发速率越快;注液量越大,蒸发速率也越大;在蒸发过程中出现了浮力对流涡胞和Marangoni对流涡胞.此外,通过地面蒸发实验可以确定空间科学实验选用的实验介质和材料,进而优化确定空间科学实验的工况、参数及流程等,部分地面实验结果也将直接成为天地对比实验的科学成果.      

微重力下三角形微通道内冷凝换热分析

采用VOF模型和自定义函数的方法对三角形微通道内冷凝换热特性进行了数值模拟研究.为验证模型的合理性,将计算得到的传热系数与文献中经验关联式的结果进行对比.分析了重力和表面张力对气液界面分布和传热性能的影响.结果表明,重力对微通道内气液界面分布和截面平均传热系数的影响很小.表面张力在非圆形微通道内的冷凝过程中发挥主导作用.在表面张力作用下,更多的冷凝液流向尖角,使壁面附近液膜厚度变薄,传热阻力减小,传热系数增强.      

空间大功率热源两相温控系统设计与仿真

为解决未来空间应用中大功率热源带来的温控问题,提出了集微槽道蒸发器、相变装置和热辐射器在内的泵驱两相流体回路热排散系统方案,在此基础上开展了系统仿真工作,对流体回路运行特性和温控能力进行了研究。仿真结果反映了大功率热源短时工作条件下两相流体回路温度、饱和压力和干度的变化特征,两相流体回路工作特性符合设计预期,60 kW分布式大功率热源峰值温度能够控制在70℃以下。对泵驱动能力过剩所带来的不利影响进行了仿真分析,得出了泵驱动能力过剩导致两相回路系统温差增大的结论。分析了蒸发器和相变装置换热性能对温控系统的影响。蒸发器换热性能降低后,热源温度将超出要求范围;相变装置换热性能降低后,泵可能受到气蚀影响。     

载人运输飞船流体回路试验研究

详细介绍了载人运输飞船热控船流体回路主要技术方案,包括系统组成与流程设计、工作模式设计、主要技术状态等,并列出了流体回路全部试验工况及相关试验结果,试验结果表明流体回路具有良好的温度调控能力和适应能力。重点对流体回路辐射器、冷凝干燥器、冷板、换热器等设备换热能力及低温情况下工质体积补偿、低压情况下工质溶气释出导致泵压头波动等问题进行了分析。最后根据分析和试验结果对系统提出了优化改进建议。     

微重力条件下泡沫复合相变材料蓄热装置数值仿真

相变材料由于相变过程中吸收或者释放大量能量且过程近似等温这一特性而有巨大的应用潜力,将相变材料蓄热装置应用于航天器是维持航天器内各个单元工作温度的一种有效方法.提出一种基于正二十烷的相变蓄热结构方案,分别填充泡沫铜与泡沫碳作为基体材料来强化相变材料的传热性能.通过对该模型进行数值仿真计算,得到相变蓄热装置温度、固液相界面位置随时间的变化等有效数据,分析泡沫相变蓄热材料在微重力条件下相变界面的演变过程.结果显示,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域,减缓热源面温度上升速度,并且降低重力变化对传热的影响.所得数据结果为泡沫复合相变材料的工程应用提供了科学依据.      

纳米复合相变材料熔化过程数值模拟

相变储能技术在航空航天等领域具有广泛的应用前景,但是相变材料导热性能差制约了其工程化应用。高导热的纳米材料能够有效提高相变材料的导热性能。为了对其相变现象进行更精细的模拟分析,基于Maxwell-Garnett等效介质理论（EMT）建立3种具有代表性结构的纳米复合相变材料详细物性参数,将流体体积（VOF）模型与焓-多孔介质模型相耦合,在考虑相变材料体积膨胀的情况下,数值模拟了纯石蜡、添加不同体积组分金刚石纳米粒子（ND）、单壁碳纳米管（SWCNT）和石墨烯纳米片（GnP）的纳米复合相变材料在定温边界条件下的固液相变过程。结果表明:相变材料熔化过程中对流效应主要分布在临近固液相界面、临近加热壁面及临近气液两相交界面这3个区域;3种纳米粒子中GnP的导热强化效果最佳,相比纯石蜡,添加体积分数为3%的GnP纳米复合相变材料固相导热系数提高了486%,相变材料的熔化时间缩短了69%;升高壁面温度能够有效缩短复合相变材料的熔化时间。      

液体姿控发动机76km高空模拟试验系统性能仿真

为研究液体姿控发动机76 km高空模拟试验系统的工作性能,建立了考虑燃气相变的试验系统集中参数动态仿真模型。模型由真空抽气系统、冷凝管束和液氮外流程3个子模型组成。根据燃气、霜、液氮之间的传热和传质过程将各子模型耦合在一起。以四氧化二氮/甲基肼双组元姿控发动机为实例,计算了稳态和脉冲点火试验时系统的工作参数,分析了关键设计参数对其工作性能的影响。结果表明:试验系统能够为最大流量6.4 g/s(推力约16.5 N)的发动机提供脉冲和6×10~4s长程稳态试验环境;在长程稳态试验中,冷凝管束霜层将依次饱和,失去对二氧化碳和水蒸汽的抽吸能力,导致真空舱压力逐渐升高;在脉冲点火试验中,真空舱压力将随发动机工作而脉冲波动,15 ms开关脉冲时的压力波动幅度约70%。研究结果为液体姿控发动机高空模拟试验系统的设计与改进提供了参考。     

池沸腾现象中热毛细对流的成因

针对微重力条件下单组份液体池沸腾现象,探讨了有关热毛细效应作用及其成因的不同观点,指出正确描述气液相变界面两侧的温度关系是解决争议的关键.详细评述了现有的气液相变界面温度模型,发现气液相变的非平衡特征会导致气液界面上产生温度梯度,引起表面张力的显著差异,从而驱动热毛细对流的形成.但现有气液相变界面温度模型机理差异迥然,预测结果也差别很大,因此,需要更深入研究.      

毛细泵回路蒸发器的数值研究

文章针对毛细泵回路(CPL)蒸发器内的多孔芯结构, 建立了描述换热和流动的非稳态数值模型。该模型采用焓模型来处理多孔介质内工质的相变问题, 通过分区计算既避免了采用耗时复杂的自适应网格技术又能方便地跟踪汽液界面, 为处理多孔介质中的毛细力带来方便; 在处理流动问题时, 通过对源项的处理考虑了毛细抽力的作用, 体现了毛细抽力是CPL的动力源, 从给定的算例来分析, 该数值模型较好地反映了毛细芯的工作特性。     

一种新的界面处理方法在气固耦合传热中的应用

对于高超声速流场和固体结构温度场的耦合传热问题,推导出了一种新的界面耦合处理方法,通过在流固交界面上求解由狄里科利和牛顿边界条件得出的偏微分方程,把对流体和固体两个区域的影响显式地体现在交界面方程中,并对该方法进行了稳定性分析.分析表明:该方法相比于传统的耦合迭代方法有更好的稳定性.将这套算法成功应用于绕无限长圆柱的气动加热计算中,对圆柱在气动加热过程中的温度变化做了比较详细的分析.     

用一维恒温相变界面模型研究毛细芯蒸发器温度场

对ＣＰＬ毛细芯蒸发器提出了一维恒温相交界面模型：蒸发器壁、液体、蒸汽分别在横截面上的温度相同，即温度只有沿轴向才有变化；蒸发器壁、蒸汽分别和液体之间存在温度为饱和温度的汽液交界面，蒸发器壁、液体、蒸汽通过该交界面进行换热。根据此模型，应用带有特殊内热源项的一维能量守恒方程求解了温度场。在计算中估计并推荐了几个换热系数，给出边界条件后可得到蒸发器内温度场的数值解。蒸发器壁温的计算值与实验结果符合较好。     

三线摆水平隔振器原理与应用

针对一种三线摆水平隔振器,首先在某一特定方向上建立了以摆动角θ为广义坐标的拉格朗日方程.在某一摆动角下,将立体图形投影到一个平面上,通过几何关系的求解,将方程中所有变量转化为广义坐标θ的函数,得到了机构水平摆动固有频率的表达式.然后根据表达式分析了机构结构参数对机构水平摆动固有频率的影响.利用MATLAB得到一些仿真结果,通过分析得知增大负载支撑高度可以降低机构固有频率,但同时会增加机构的高度.而在保证机构稳定的前提下,根据整体设备的高度要求,通过增大固定盘与摆动盘直径比、减小固定盘与摆动盘距离和支撑高度之比,可以达到降低固有频率而不过分增加机构高度的目的.     

Crystal growth from the melt by capillary shaping techniques

A method based on the Lyapunov stability theory has been developed for studying the stability of crystallization by capillary shaping techniques (including Czochralski, Stepanov, EFG, Verneuil and floating zone methods). The preliminary results of the analysis of stability shows that the crystallization by capillary shaping technique under microgravitation conditions is more stable in some cases than under the action of gravitation. To get deeper into details of the capillary shaping technique under microgravitation conditions, we have carried out model experiments using two immiscible liquids of equal density and crystallization of sapphire in terrestrial conditions with small Bond number. The experiments on the copper crystallization were realized in the high-altitude rockets. Our experiments on indium crystallization carried out in the orbital space probe “Salyut” yielded cylindrical specimens.     

高超声速飞行器平稳滑翔弹道设计方法

针对已知攻角和倾侧角的高超声速飞行器平衡滑翔再入问题,提出了满足纵向加速度变化率最小的平稳滑翔弹道概念,并给出了平稳滑翔弹道设计方法.首先采用正则摄动的方法对高度动态微分方程进行求解,获得了精度较高的平稳滑翔高度、弹道倾角和纵向加速度解析解.然后对平稳滑翔弹道的动态特性进行了分析,结果表明该弹道具有自然稳定性和弱阻尼性.进一步给出了弹道振荡的自然频率和阻尼表达式,其中自然频率仅与速度相关,而阻尼则与速度和纵向升阻比相关.最后,通过比较高度偏差的比例反馈、微分反馈和比例+微分反馈3种方案,得出纯微分反馈是实现平稳滑翔的最佳方案,并给出了定阻尼微分反馈系数的表达式.仿真校验表明:该方案具有控制平滑、弹道振荡收敛速度快及鲁棒性好等特点.      

Morphological and convective instabilities during solidifiation

The stability of the flow between two vertical, infinite, rigid, coaxial cylinders held at different temperatures is analyzed by linear stability theory. For a Prandtl number of 22.8 and a radius ratio of 0.02, the flow is unstable to an axisymmetric perturbation at a critical Grashof number of 2150; the wave speed of the instability is comparable to the maximum velocity of the unperturbed flow. When the rigid outer cylinder-fluid interface is replaced by a crystal-melt interface which can change shape, two new modes of instability occur at lower Grashof numbers. There is an asymmetric instability with a critical Grashof number of 180 and an axisymmetric instability with a critical Grashof number of 460; for both of these modes the wave speed of the instability is several orders of magnitude smaller than the unperturbed flow velocity.These calculations were motivated by and are in general agreement with our recent experiments on succinonitrile. A long vertical cylindrical sample of succinonitrile was heated by an electrical current through a coaxial vertical wire so that a vertical melt annulus formed between the coaxial heater and the surrounding crystal-melt interface. Above a critical Grashof number of circa 200, a helical crystal-melt interface formed which rotated steadily about the cylinder axis; the wave speed was several orders of magnitude less than the base flow velocity.     

连接界面变形对转子动力特性影响的力学模型

针对航空发动机在工作过程中振动量增大且伴随有一定的界面磨损问题,在结构特征分析的基础上建立了三盘转子-支承系统动力学模型,并将接触端面同轴度偏差以及平行度偏差进行参数化描述,基于Lagrange方程得到考虑界面变形的高压刚性转子系统动力学微分方程。结果表明,界面变形将使得刚性转子系统产生附加激振力,同轴度偏差引起的附加激振力幅值与转速平方成正比,仅作用在相应自由度上;平行度偏差引起的附加激振力幅值仅与系统刚度和平行度偏差量有关,与转速无关,且其在支承自由度方向上存在一定分量。      

电离图分片换算法中谷的处理

本文介绍用电离图的寻常波描迹换算电离层剖面.应用Gulyaeva的经验公式确定F层的底高,E、F层之间的谷电离区的模式等效为一平板层,以Budden的分片解法为基础对F层进行频高换算.用此方法对Herbert提供的几条参考剖面进行了比较,电子浓度所在高度的误差一般不超过±10公里(中纬地区).      

农林飞机近地作业飞行的纵向稳定特性

分析了农林飞机近地作业飞行的纵向气动力特性,讨论了存在地面效应时的纵向静稳定性准则及主要气动导数对静稳定性的影响;根据地效区内飞机的五阶小扰动运动线化方程,计算了农林飞机近地作业飞行的模态特性,并运用特征矢量研究了各模态中起主要作用的运动变量;利用Routh判据对农林飞机近地作业飞行的纵向动稳定性进行了分析,通过简化推导了存在地面效应时保证飞机动稳定性其重心的位置要求.研究结果表明,农林飞机近地作业飞行时地面效应对其纵向气动特性及稳定性的影响不可忽略.