临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。      

对流换热系数的瞬态测量技术

使用等热流法瞬态实验测量对流换热系数:基于流动稳定及热平衡条件下对测量表面突加一稳定热流,测出测量表面高低两种窄幅热色液晶的显色时间,根据窄幅液晶的显色温度及其时间通过求解一维半无限大平板非稳态导热方程得到对流换热系数.推导出此方法的误差传递公式,在此基础上分析如何得到准确的对流换热系数.最后给出热流法测对流换热系数的实验流程,并通过自由盘实验验证热流法测对流换热系数的可行性.     

新型聚乙烯醇/聚乙二醇水凝胶热沉性能研究

为研究水凝胶作为热管理技术的可行性和潜力，采用物理循环冷冻法制备一种力学和经济性良好的新型聚乙烯醇（PVA）/聚乙二醇（PEG）复合水凝胶热沉，热沉尺寸为60 mm×60 mm×2 mm,通过表面的水分蒸发来实现自冷。在2 712 W/m2热流下进行散热性能探究实验，得到了升温特性、蒸发对流强度变化关系和溶胀变化规律。发现加入2.5%质量分数的PEG减小了随循环冷冻次数增加造成的制备变形，减小了75.53%的含水量衰减，同时使芯片表面控温下降7.53%。根据实验结果计算得到了蒸发换热系数，并研究了热流、厚度和湿度对蒸发散热的影响。通过对水凝胶不同温度和使用情况（4 h连续使用及120 d常温储存）下溶胀率的测定，证明水凝胶具备一定的短时使用可靠性，但对温度的敏感响应并不显著。     

纯辐射换热航天器系统比缩热负载试验方法

首先讨论了纯辐射换热的航天器系统温度场在恒定热源情况下具有渐近稳定特性，然后据此提出了对该系统可采用比缩热负载进行热模拟试验的方法。     

大飞机乘员舱热载荷的工程估算方法

大飞机乘员舱热载荷是指当维持大飞机乘员舱内温度、湿度恒定时,单位时间内传入(或传出)的净热量,它是确定大飞机温度调节系统能力的依据.在查阅国外25种大飞机环境控制系统相关文献的基础上,提出了大飞机乘员舱热载荷的两种工程估算方法为:大飞机乘员舱热载荷与乘员数之间良好的线性关系,在确定乘员舱人数的前提下,采用工程估算模型1可以估算出乘员舱热载荷;大飞机乘员舱全舱结构壁传热系数为2.45~7.97W/(m²·℃),平均值为4.93 W/(m²·℃).在环控系统初步设计时,如有乘员舱外形和构想,采用工程估算模型2也可简便地估算出乘员舱热载荷.研究成果为大飞机的研制提供一定的理论指导.     

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

同步轨道遥感器热设计和热分析

为解决遥感器在同步轨道环境温度场分析中热传导与热辐射的综合处理问题,热传导模型温度计算采用控制容积方法建立有限差分方程;热辐射模型采用奥本海姆方法计算设备表面单元之间辐射换热;根据是否被遮挡,辐射换热中表面单元角系数的计算分别采用积分和数值方法。计算结果表明,采用上述方法进行温度场分析能够有效解决热传导模型与热辐射模型的耦合,求解精度较高,遥感器设备部件稳态分析温度分布和在轨瞬态分析温度曲线变化清楚,可作为进一步精密热控设计的依据。     

2003年航天界的六件大事

综合外电报道,预计在2003年,世界航天领域将发生六件大事:(1)人类再次进行火星探测:包括美国航空航天局的“火星探险漫游者计划”在内的火星探测器,将分两次发射,时间分别定在2003年5月和7月,如果不发生意外,将于2004年11月降落火星,并在这个红色行星表面行驶3个月。它将在着陆点几百米范围内“漫步”,分析火星岩石、土壤和大气,并拍摄木星图片。(2)“火星特快”航天器升空:欧洲航天局计划于6月发射“火星特快”航天器,12月还将派送一个轨道器和“小猎兔犬-2”着陆器同火星对接。“小猎兔犬-2”号装备有“鼹鼠掘地器”,能挖出火星表面以下的…     

气压及加热功率对锂离子电池热安全的影响机制

随着锂离子电池的普及应用，其在航空低气压环境下的热安全问题受到广泛关注。对此，在20～95 kPa的气压环境下，以30～100 W的加热功率诱导电池热失控，通过电池热失控现象、温度及时间的分析，研究航空低气压环境下加热功率对锂离子电池热安全行为的影响机制。研究表明：气压的降低导致电池安全阀打开时间提前，但由于低气压环境下对流换热系数和特征达姆科勒数的减小，电池从安全阀开启到热失控的过渡时间延长；而加热功率的提高显著缩短了电池的热失控时间，加剧了电池热失控燃爆，同时也缩短了电池的加热时间，导致外部热源传递给电池的热量减少，热失控过程中电池表面峰值温度降低；在二者的综合作用下，电池的热失控时间总体呈现出随功率增加而减小的趋势，但气压的作用导致其变化规律呈现出明显差异。为实现气压及加热功率综合影响下电池热失控时间的预测，通过多项式拟合，构建电池热失控时间预测模型，预测精度控制在(3±2) s。     

蒙皮热辐射特性对平流层浮空器氦气温度影响

分析了平流层球形超压浮空器在运行高度所受的各种环境辐射,研究浮空器处于热平衡状态时辐射传热、对流换热的作用规律,建立了浮空器的热平衡模型,分析太阳辐射、地面反照、地面辐射等环境辐照因素对浮空器全天各个时刻蒙皮材料和内部氦气平均温度影响,对比了吸收率、发射率和吸收发射比等辐射参数对浮空器热性能的影响.分析结果表明:具有低吸收发射比的蒙皮材料具有较好的热控效果;对于吸收发射比相同的蒙皮材料,具备低吸收率特性的蒙皮材料热控效果更为明显,更适用于长航时平流层超压浮空器.分析结果对浮空器蒙皮材料选择和总体设计具有指导意义.     

航天器用低温多层隔热性能计算方程

航天器常用有效发射率表征多层的隔热性能，其经验值范围为0.02~0.04，经验值仅与多层单元数有关，不随温度变化。有效发射率经验值的适用条件是多层的热面温度约-10℃~50℃，多层的冷面不照太阳。使用条件偏离得越多，有效发射率的经验值导致的计算偏差就越大。针对该问题，提出采用辐射项加导热项的混合传热模型，取代传统的纯辐射模型，并给出了方程中导热项系数和辐射项系数的计算方法。以国产10单元多层为例，给出了方程系数的详细计算过程，该系数已用于工程实际。用多种工况验证了该方程的准确性，并阐述了纯辐射模型导致较大偏差的问题根源。采用混合传热模型使高温/低温区的计算偏差从20℃降低至5℃。混合传热模型比纯辐射模型更适于描述多层的传热过程。最后，研究了选取多层隔热性能热平衡试验工况的原则。     

相变储热/辐射器式热沉的传热特性研究

对一种用于舱外活动的相变储热/辐射器式热沉进行了实验研究和数值模拟.设计了相变储热器的实验件和实验方案,进行了储热器的冷却实验.建立了具有导热与对流换热耦合边界的相变储热器数学模型,模型中考虑了自然对流及空穴的影响.编制了相变储热器的性能分析计算程序.通过实验值与计算值的比较分析,验证了程序的可靠性.该模型及计算程序为相变储热器的设计和优化提供了有利的分析工具.     

载人航天器舱内气压下降时的空气强制对流换热

为了在载人航天器的热控制中评估舱内气压下降对空气强制对流换热能力的影响,分析了空气流动参数和物性参数随舱内气压的变化规律,指出了已有的经验关联式中压力和换热系数的关系,并用数值方法进行了验证。分析结果表明空气强制对流的换热能力随舱内气压的下降而下降,当气压低于3.04×104Pa后,空气强制对流对设备散热的贡献已经非常有限。     

天问一号火星进入舱热控系统设计与验证

天问一号火星进入舱携带祝融号火星车实施进入、下降、着陆过程,其热控系统设计主要面临地火转移外热流大幅变化、进入火星舱壁气动烧蚀长时高温、着陆发动机点火局部超高温等技术挑战。为此,综合采用隔热设计、等温化设计、主动控温设计等热控手段,针对外热流大幅变化应用了新型SAL-2热控涂层,为解决局部超高温问题研制了新型气凝胶热防护装置,完整构建了进入舱的高效可靠热控系统。飞行遥测数据表明,全飞行过程设备温度和热控功耗均优于指标要求,进入、下降、着陆过程工作设备温度范围5.0~40.3℃,整舱平均控温功耗不超过43W,验证了进入舱热控系统设计的有效性。     

超临界压力RP-3在竖直细圆管内混合对流研究

研究了超临界压力下碳氢燃料航空煤油RP-3在竖直细圆管内混合对流,分析了浮升力及热物性对碳氢燃料在垂直管中对流换热的影响。实验中控制热流密度从200~500 kW/m2变化,进口压力变化范围为3~5 MPa,进口雷诺数从5 000~10 500范围内变化。研究表明:在向上流动情况中进口段存在较为明显的入口效应,换热出现恶化现象,而在向下流动中未出现;对于向上和向下流动,由于热物性的综合影响,换热系数沿流动方向增大;在较低进口雷诺数(Re=5 700)时,对于向下流动,随着浮升力影响的增大,浮升力改变了流体径向速度分布,出现了换热强化;在较高进口雷诺数(Re=10 500)时,浮升力对换热的影响依然显著;判别式Bo*数小于5.6×10-7未能预测浮升力对碳氢燃料换热影响。      

Experimental investigation of transient thermal behavior of an airship under different solar radiation and airflow conditions

Knowledge of the thermal behavior of airships is crucial to the development of airship technology. An experiment apparatus is constructed to investigate the thermal response characteristics of airships, and the transient temperature distributions of both hull and inner gas are obtained under the irradiation of a solar simulator and various airflow conditions. In the course of the research, the transient temperature change of the experimental airship is measured for four airflow speeds of 0 m/s (natural convection), 3.26 m/s, 5.5 m/s and 7.0 m/s, and two incident solar radiation values of 842.4 W/m² and 972.0 W/m². The results show that solar irradiation has significant influence on the airship hull and inner gas temperatures even if the airship stays in a ground airflow environment where the heat transfer is dominated by radiation and convection. The airflow around the airship is conducive to reduce the hull temperature and temperature nonuniformity. Transient thermal response of airships rapidly varies with time under solar radiation conditions and the hull temperature remains approximately constant in ∼5–10 min. Finally, a transient thermal model of airship is developed and the model is validated through comparison with the experimental data.     

碳基高导热材料及其在航天器上的应用

在分析航天器对于高导热材料的需求及应用特点的基础上,将碳基导热材料分为高导热石墨扩热板和高导热柔性石墨膜,总结了其在航天器上的典型应用场景.高导热柔性石墨膜可用于复杂结构等温化设计、柔性热传输等,高导热石墨扩热板可用于大功率元器件或设备扩热与传输.针对现有柔性导热材料柔韧性差、尺寸小、厚度薄等应用瓶颈,采用固相发泡技术...     

防冰表面的对流换热计算分析

利用动量和热边界层积分分析的方法对采用电热防冰的二维机翼对流换热系数进行了数值计算,比较了等温突捩以及变温光滑两种不同的边界层模型.层流向湍流转捩的起始点位置和过渡区域的长度由经验公式判断,并通过内外热流耦合迭代求解得到了防冰表面的平衡温度,与文献试验值进行了比较.所得结果表明:加入过渡区模型可较好地预测对流换热系数及防冰表面温度.同时,结果还表明环境压力变化对换热系数的的影响较大.      

回流式转轮除湿器热湿交换模型及数值模拟

建立了转轮除湿器的传热、传质数学模型并进行计算机数值模拟.将回流式除湿器与无回流除湿器进行了除湿性能对比.在给定除湿器参数基准条件下,再生气质量流量在0~1.5 kg/(m2·s)范围内增加时,被处理气流出口含湿量下降较明显.此时应用回流对除湿有利.当再生温度小于450 K时,被处理气出口平均含湿量随着再生温度的增加而下降很快;当再生温度大于450 K时则下降很慢.计算结果为除湿器的优化设计提供依据.