基于地面实验的蒙皮换热器高空换热性能分析

面向未来我国大功率机载电子设备冷却需求,需要发展新型机载冷却方式,减少对传统环控制冷系统的依赖,为此研究了一种气/气蒙皮换热器用于电子设备热管理.该蒙皮换热器是一种无能耗被动换热方式,在不增加飞机代偿损失的情况下实现大功率电子设备热管理.为了考核所设计的蒙皮换热器机载飞机环境换热性能,设计加工了实验样件,在地面开展了换热性能实验研究工作,获得热边流动传热准则和对流换热系数.在此基础上推演出高空巡航状态下的蒙皮换热器换热性能,获得传热最不利安装位置和改进位置时的传热性能.研究工作预期为未来我国基于蒙皮换热器的飞机综合热管理提供设计及机载应用技术支持.     

考虑制造约束的印刷电路板式换热器优化设计

针对印刷电路板式换热器(PCHE)的微流道结构参数设计制造一体化问题,开展了考虑制造约束条件的换热器性能优化的研究。通过流体仿真分析了流道宽度、深度和深宽比对温度分布、压力损失和换热系数的影响。使用多目标遗传算法(MOGA)建立了换热性能的多参数多目标性能优化仿真模型,根据性能优化获得的设计参数建立微流道结构辊压成形工艺仿真模型,得到制造约束条件,将制造约束反馈到性能优化仿真模型中,得到宽为0.29 mm、深为0.39 mm的矩形微流道优化设计参数,且通过辊对辊(R2R)的辊压工艺实验验证了该优化方法的可行性。考虑制造约束的换热器优化设计方法在性能优化设计阶段引入工艺限制条件,是实现换热器一体化设计制造的有效手段。      

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。      

一种空间相变换热器热设计与仿真分析及其改进

基于相变计算方法即焓法处理相变材料凝固/融化模型,对一个以水为主动冷却介质,内填充石蜡类相变蓄热材料的板式相变换热器的换热进行数值模拟.得到了不同重力条件下冷却面的温度分布,相变材料在融化过程中的动态温度场分布、相变界面分布、融化时间等结果,验证了该相变换热器的可行性.对比该相变换热器在重力与微重力不同条件下的性能差异,利用添加强化传热肋片与泡沫复合相变材料方法,提高了微重力条件下该类相变换热器的效率,可为空间相变蓄热装置的设计及实验研究提供重要参考.      

旋流管强化传热与流体动力学试验研究

在螺旋槽管的基础上开发出一种新型强化管--旋流管,对5根不同结构参数的旋流管的换热特性和流体动力学特性进行了试验研究,用多元线性回归法得到了具有较高精度的旋流管的传热系数及摩擦系数的统计关联式,分析了影响旋流管传热与流阻性能的主要因素.结果表明,旋流管比同类型的强化管综合性能更优越,在相同传热量下,旋流管的换热系数比螺旋槽管高3%～8%,而压力损失低5%～10%.     

Y形构形微通道流动换热特性的数值分析

针对矩形芯片提出了Y形构形微通道的芯片内部冷却结构,通过三维数值计算比较了Y形构形微通道与传统直微通道中的流体层流流动和换热特性,并对Y形构形微通道的重要结构参数进行了优化.研究表明:在相同对流换热面积和水利直径的条件下,Y形构形微通道具有比直微通道更高的传热效率和更低的进出口压降,可以满足高热负荷需求.在研究范围内通道级数为3级、分叉角度为60°、分支个数为2时,散热器的综合换热性能最好.以上结论为Y形构形微通道的结构设计提供了重要依据.     

塞式喷管性能损失分析

影响塞式喷管性能的因素是多方面的,为了明确各种损失对其的影响程度,根据塞式喷管的工作特点,通过建立的塞锥壁面压力分布的简化模型,初步分析了这些因素,比如摩擦损失、化学非平衡损失、截短损失和底部损失等.结果表明,由于塞锥长度的截短所引起的截短损失和底部损失是影响塞式喷管性能的主要因素.为了减小由此所带来的性能损失,应通过实验和数值模拟的方法着重研究气流在塞锥上和底部的流动特征,并且在设计的过程中应该考虑这些因素,以降低其对性能的影响.     

贮箱内低温推进剂汽化过程的CFD数值仿真

为研究贮箱内低温推进剂相变对推进剂温度和贮箱压力的影响,对贮箱内的传热传质过程进行了仿真.仿真涉及的物理过程包括贮箱与外界环境的换热、推进剂的自然对流、推进剂与贮箱内壁面的换热以及低温推进剂的相变过程等.根据热力学平衡原理建立了低温推进剂相变模型,使用CFD(Computational Fluid Dynamic)方法对处于地面常压停放状态的液氢贮箱进行了450 s的仿真.研究表明随着贮箱壁面传热过程的稳定,推进剂的温度分布、流动状态以及相变情况会趋于稳定;通过仿真获得了推进剂单位时间的汽化量;影响相变的主要因素是贮箱壁面漏热以及推进剂自身的对流运动.     

喷雾冷却系统稳态特性的实验研究

设计了一套可观察喷雾过程中的喷雾锥角、雾化效果、发热面上液膜及腔内气液分布状态的实验系统。验证了喷雾冷却技术解决极高热流密度散热问题的能力。通过实验研究了该系统的传热性能与稳态运行特性,分析了流量、喷嘴压降、喷雾高度、热流密度、热沉温度及回流液体过冷度等因素对系统传热性能和特性的影响。     

矩形微槽内FC-72的单相流动和换热实验研究

微槽换热器是解决航空电子设备元器件热控制问题的一条有效途径.以新型电子设备冷却液FC-72为工质,利用4种不同结构尺寸的矩形微槽,进行了微槽内单相流动和强迫对流换热性能实验研究;分析了工质流速、过冷度以及微槽结构等对换热性能的影响,给出了适用于层流和紊流的单相流动阻力特性实验关联式和单相强迫对流换热实验关联式,并对实验结果进行了不确定度分析.结果表明,在矩形微槽换热器中,FC-72的单相强迫对流换热能力能够满足中高强度的电子设备散热要求.      

高速运载器燃油热管理系统优化

燃油热管理系统设计随着运载器多电化与机载高能电子设备的发展已经得到高度重视,其中燃油的热承载能力是最关键因素。针对喷气推进式高速运载器,提出了一种大范围、多任务的燃油热管理系统多目标优化配置方法,其以热沉利用率最高和燃油质量代偿损失最小为目标函数,以循环回路的燃油最大质量流量、冷却水携带量和机载热负荷发热量为优化变量,采用改进的遗传算法NSGA-Ⅱ,在不同飞行任务规划下进行双目标优化设计,所获得的目标函数Pareto最优解集,满足预期的燃油热管理系统模式选择原则,且通过分析优化变量与优化目标间的相关性,可以量化燃油热管理系统优化配置准则与可达到的最小燃油质量代偿损失,可应用于支持多热沉重构的机载高效燃油热管理系统。      

航空柱塞泵全工况效率分析及热力学建模

针对航空柱塞泵全工况热力学建模问题,在泵功率损失分析和传热分析的基础上建立了柱塞泵的热力学模型.考虑负载压力、输入转速、斜盘倾角和油液粘度影响,得到了泵功率损失模型.对泵传热进行了详细分析,采用控制体温度变化方程建立了描述泵各部分温度变化的热力学模型.对包含柱塞泵的简单液压系统采用Dymola进行了仿真计算,得到了不同输入转速和负载压力下泵效率及功率损失,分析比较了不同输入转速和供油流量下泵各部分温升情况.结果表明:泵效率及功率损失受输入转速和负载压力影响,在不同输入转速和供油流量下泵表现出不同的温升特性.     

基于球堆叠的月壤蓄热器传热特性数值研究

月壤蓄热是月球原位资源利用的一种重要方式，也是解决未来月球基地能源需求的最具潜力的途径之一。针对月壤蓄热过程，建立了基于球形堆叠的月壤蓄热器多孔介质蓄热模型。蓄热器的壳体采用登月舱下降级的燃料罐，流体传热介质采用氦气。通过数值模拟的方法研究了不同流动压降下月壤蓄热球堆叠方式、球直径对蓄热器传热过程的影响规律和机理，并分析了蓄热动态过程。研究结果表明，月壤蓄热球在简单立方体均匀堆叠（SC）和面中心立方体均匀堆叠(FCC)两种方式下，SC堆叠方式的综合蓄热指数比FCC模式可提高302%；同时还发现月壤蓄热球的直径存在最优值，可使得蓄热器在单位泵功下获得最大的蓄热量，并且该最佳值随着流体进出口压差增加而减小。该研究可为未来月壤蓄热器的设计和优化提供理论指导。     

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.     

涡旋微槽流动与传热特性数值模拟

涡旋微槽散热器具有传输高热流密度的潜力,在解决航空航天高功率密度器件热控制方面具有广泛应用前景.在实验研究的基础上,采用有限体积法对不同体积流量和槽道结构的涡旋微槽中的流动与传热特性进行了数值模拟研究.对涡旋微槽流动的稳定性进行了分析,给出了摩擦因子和Nu数沿流动方向的变化曲线,并采用场协同原理对涡旋微槽强化传热的机理进行了探讨.计算得到的微槽平均传热系数和摩擦阻力系数与实验数据进行了对比.结果表明:涡旋微槽中二次流的出现是涡旋微槽强化传热的机理所在.     

板翅式热交换器的MATLAB仿真模型

推导了空气-空气热交换器干态与湿态一致的参数集中法动态仿真模型,在MATLAB仿真环境下实现了这一模型,利用完成的模块进行了仿真计算的示例,该方法已经用于某些实际系统计算中,对于环控系统仿真研究具有很大的参考意义.      

飞机环境控制系统的最小熵增分析

一种应用于飞机环境控制系统优化设计的新方法,以热力学第二定律为基础,运用熵增原理进行系统综合优化设计,分析了主要组成部件(热交换器和涡轮冷却器)以及座舱温度舒适性要求指标对系统熵增的影响.以某型飞机环境控制系统为例,通过数学建模和计算机仿真,获得了不同结构参数下,系统运行在最小熵增状态时的引气与供气参数优化匹配结果.研究表明,提出的最小熵增分析方法对未来复杂飞机环境控制系统的综合设计具有重要的指导意义.      

环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响

针对电动汽车冬天取暖能耗较高,设计了基于蒸气压缩循环的热泵空调试验系统,研究了制热模式下不同的环境温度和压缩机转速对车室内平均温度、高压管路内部工质的温度和压力、系统能效比(COP, Coefficient of Performance)等参数的影响.试验结果表明,当环境温度和压缩机的转速较高时,压缩机出口、车室内换热器出口处工质的温度和压力值较大,车室内平均温度的上升速度越快,达到舒适温度所需的时间越短.在压缩机转速相同时,环境温度越高,系统的COP值越大.