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.     

弹性整流罩分离的流固耦合仿真方法

发展了一种流固耦合的动力学数值仿真方法,用以模拟弹性结构在其运动诱导的非定常气动载荷作用下的动态响应.针对给定的运动规律,对不可压流场采用侵入式边界方法求解了非定常气动载荷,其中未计及弹性结构变形对流场的影响.对非定常气动载荷作用下的薄壁弹性结构进行了瞬态动力学数值模拟.以地面试验状态的整流罩分离为例,对刚性体及是否考虑表面气体压力作用的柔性体等情形下的整流罩的动力学行为进行了对比分析,验证了发展的流固耦合动力学仿真方法的可行性.     

开裂式阻力方向舵流固耦合机理分析

为了探究阻力方向舵开裂状态下的流场形态和流固耦合运动机理,采用计算流体力学(CFD)方法开展了不同开裂角下的二维阻力方向舵的流场计算。基于动力学模态分解(DMD)方法对各流场进行模态分解,分析了各模态的流动特征及频率变化。结果表明,在20°开裂角的范围内,机翼绕流的流场结构以开裂区内的驻涡及后缘脱落涡为主,流场各阶模态频率随来流速度的增大而增大,随开裂角的增大而减小。同时,对不同开裂角的二维翼型开展了流固耦合计算。结果表明, 随着折减速度的增加,系统的流固耦合运动形式由涡致振动发展为流动失稳,系统的失稳边界随着开裂角的增大而提高。      

基于CFD/CSD耦合的高速射弹尾拍载荷特性研究

为提高射弹尾拍载荷的预测精度，建立了一套基于计算流体动力学（CFD）/计算结构动力学（CSD）双向耦合分析的计算方法和程序。射弹流体计算主控方程采用耦合SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型的Navier-Stokes方程，射弹结构计算采用基于模态叠加法简化的结构动力学方程，流固耦合界面插值采用径向基函数法，网格变形采用弹簧网格法。分别对泡型计算方法和流固耦合方法进行验证，在此基础上，计算对比1 000 m/s速度下射弹刚体和弹性体的尾拍泡型、结构变形和尾拍流体载荷特性差异。计算表明：弹性体尾拍过程，射弹泡型会产生弹身“二次拍击”、“局部沾湿”和沾湿面积增大等特殊现象，结构变形由弹性一弯模态主导，较大的变形引起流体载荷增大27%～105%，尾拍姿态角增大13%，尾拍频率增加20%，流固耦合效应对尾拍泡型、尾拍载荷和尾拍弹道均产生了较强的影响。     

空气域与流体域耦合作用下双层电池包散热特性

多层垒叠电池包内空气域的存在使各层模组热流场耦合在一起,从而影响电池模组的散热性能。以方形双层电池包为研究对象,建立考虑电池模组与空气对流换热的液冷热模型。该模型中电池发热功率基于试验测定结果,前处理软件采用ANSA确保仿真精度,后处理软件采用CFX,对在不同放电倍率、冷却液进液方向和进液流量下双层电池结构中空气域对液冷热管理系统热行为的影响进行了研究,并与不考虑空气域同工况仿真结果对比。结果表明:空气域的存在不会对液冷双层电池包上下层模组温度分布产生影响;但可以降低上下层模组间的温差,其中上下层模组最高温升的差值最大可降低49.1%,改善了整包电池温度的一致性。      

直升机旋翼防/除冰电加热控制律仿真

电热防除/冰系统的控制涉及到电加热与外流场的传热耦合,计算较为复杂,可利用的数据资料较为稀少。为探索电热防/除冰系统工作时与外流场的耦合传热规律,建立了二维电热除冰的数学模型,该模型在Messinger模型和改进的焓法模型基础上耦合了外表面与环境的复杂换热以及融冰和重新结冰过程的相变换热;采用控制容积法对控制微分方程进行离散后,使用TDMA（Tri-Diagonal Matrix Algorithm）和ADI（Alternating Direction Implicit）方法对离散得到的线性方程组进行求解,进而得到了除冰表面温度分布,同时揭示了电热防/除冰系统的耦合传热规律;分析了不同结冰条件下,加热时间控制律和加热热流密度对除冰表面温度的影响。计算发现合理设计加热热流密度大小及分布和加热时间控制律,可实现电热除冰系统能源的高效利用,进而确保飞行安全。     

直升机滑油散热器动态性能分析

滑油散热器的动态特性是直升机滑油冷却系统设计的基础,使用模块化集总参数法建立了直升机滑油散热器的动态仿真模型,采用Laplace变换建立动态传递函数,结合动态仿真模拟曲线的比较以及传递函数的分析,对热侧和冷侧入口温度阶跃变化时的热侧出口温度动态响应性能进行分析,得到了影响动态性能的重要影响参数——芯体蓄热时间常数τw以及热侧温度随流动时间τ变化的时间常数hτ,从而可通过改变这两个重要影响参数来有效改变散热器以及系统的动态延迟时间.通过散热器动态实验测量,验证了模型的正确性.研究成果可有效改进散热器以及系统的动态性能,以及指导散热器与系统的优化耦合设计.     

微重力环境下蒸发液层热毛细对流的数值模拟

提出了一种新模型来研究由单一物质构成的液层在其纯蒸气中的蒸发.液层置于微重力环境中并且受到水平方向温度梯度的作用,液层的热毛细对流和蒸发耦合在一起,使得气液界面的传热传质规律更加复杂.用理论分析的方法求解了不考虑热毛细效应的纯蒸发模型,得出温度场分布和界面质量流量的解析表达式.对于热毛细对流和蒸发耦合情况,采用有限差分的投影算法同时求解Navier-Stokes方程和能量方程,得到了不同蒸发Biot数和Marangoni数下流场和温度场的稳态数值解.论述了蒸发Biot数和Marangoni数对界面传热传质的影响,提出并解释了蒸发和热毛细对流耦合的三种模式.      

随机误差对容腔瞬态换热试验影响分析及抑制

针对容腔瞬态换热试验中测试数据的随机误差被数据处理的差分过程放大的问题,定量分析了随机测试误差对换热特性的影响,并提出抑制方法。结果表明:容腔内壁面对流换热特性误差对瞬态温度随机误差最为敏感,导致换热特性试验结果不确定度高。将改进经验模态分解（EMD）算法应用于数据差分处理过程中可以有效抑制测试随机误差对换热特性的影响。在容腔充气过程中,采用误差抑制方法后,容腔壁面换热特性的最大误差从129.07%降到63.62%,时均误差从25.24%降到8.12%。      

空间遥感器用环路热管瞬态数值模拟与在轨验证

为满足空间遥感器环路热管（LHP）在轨应用需求，建立了高分九号卫星电荷耦合器件（CCD）用LHP瞬态数值模型。模型采用了节点-网络法和流动与传热关系式耦合的方法，考虑了蒸发器与储液器之间的传热传质过程。通过仿真与在轨数据的对比，发现LHP内部组件温度偏差为0.2~0.4℃，冷凝器测点温度偏差为0.5~2.0℃；预热器通过干度的变化调节了冷凝器外热流和热源工作模式的影响；热源的工作模式对蒸发器向储液器漏热、回路流阻及两相段长度均有影响。所提模型可用于不同轨道外热流及热源工作模式下，研究LHP内部各参数的变化规律，预测LHP系统的瞬态工作特性，并指导后续产品的设计与研发。      

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

基于仿真的小型数据中心气流组织研究

为了实现小型数据中心能在办公室环境中运行而降低运行成本这一实际需求,提出了蒸汽压缩制冷系统与服务器融合封闭的降噪与制冷的一体化设计方案。在关键部件——轴流风扇和蒸发器的仿真策略得到验证的基础上,建立了系统气流组织仿真模型以分析箱体内流动与换热特征,以方差和信息熵构建不均匀性评价指标以评估不同风扇排布方式对服务器温度场均匀性的影响,讨论了发热密度增大时的应对策略。结果表明,轴流风扇不均匀的动量驱动导致了蒸发器内不均匀的流动与换热,所设计的降噪制冷系统可以使服务器的排风温度控制在21.6~22.2℃,增加蒸发器的散热风扇可以整体上改善温度场均匀性,发热密度增大时增大服务器的通风量是降低排风温度的有效措施。      

振动表面自然对流强化换热特性

基于振动影响流动换热边界层发展的思路,通过实验方法对振动条件下的自然对流换热特性进行研究.实验采用电铃谐振器作为加热膜的激振源,并利用红外测温技术对表面温度场进行了测量.结果表明:振动对自然对流的强化可提高90.7%.在等热流密度条件下,振动能量越大,换热越好;在等振动能量条件下,热流密度越小,换热越强.研究结果为强化表面自然对流换热提供了一种新思路.      

KM6空间环境模拟设备运动模拟器内腔温度控制设计方案

文章在运动模拟器初始通风冷却温度控制方案的基础上, 提出了风扇换热器组件冷却方案, 并采用CFD模拟两种方案下模拟器内部流场和温度场分布。此外, 为了验证风扇换热器组件冷却方案的可行性, 采用遗传算法进行了三流程板翅式换热器的优化设计。计算表明风扇换热器组件冷却方案可行有效, 明显改善运动模拟器内部气体流动和换热。