航天领域蒸汽压缩热泵技术研究进展

蒸汽压缩热泵是未来大型航天器热控系统和制冷设备的新方案。介绍了国际上的研究情况,阐明了此技术的优越性和可行性。分析了航天用蒸汽压缩热泵的关键技术,包括微重力相变换热器及其研究方法、无润滑高转速压缩机等。在此基础上给出了中国开展航天领域蒸汽压缩热泵的研究方案。     

预冷发动机氢氦PCHE通道换热与热应力数值分析

基于高超声速预冷发动机闭式氦布雷顿循环中印刷电路板换热器(PCHE)的应用,对PCHE氢氦通道的热固耦合特性进行了数值研究,着重阐述了热侧氦参数对换热的影响机制。探究了热侧壁温和换热系数的变化特征及其对冷侧换热的影响。考察了通道截面温度和湍动能的分布情况。通过熵产和综合换热系数评价了PCHE通道的性能,进行了通道热应力分析,建立了热侧和冷侧换热关联式(误差在±15以内)。结果表明:热侧压力对换热仅有微弱影响;热侧流量提高对热侧和冷侧换热均有增强作用。热侧进口温度下降导致热侧和冷侧换热减弱;热侧进口温度提高造成通道熵产显著增加,热侧流量增加造成通道熵产显著减小;高热应力出现在冷热流道之间和壁面两侧,局部最大热应力达到25 MPa。     

应用遗传算法优化设计板翅式换热器

本文提出了基于遗传算法的板翅式换热器优化设计方法,该方法不仅能够实现一般的结构优化,而且能够在提供多种类型翅片的情况下,进行翅片类型的优选。根据不同的设计要求,遗传算法能够分别以重量和效率为目标函数进行优化。为了方便翅片类型的优选,建立了一个常用翅片的数据库,库中包含了翅片的几何参数、传热特性和阻力特性,可直接应用于计算机程序的处理。与传统的优化计算结果比较,换热器的重量和体积都有不同程度的减小。本文的优化软件和翅片数据库具有通用性,可应用于一般板翅式换热器的优化设计。      

氧换热器在两相流条件下的压力脉动机理分析

氢氧液体火箭发动机氧换热器在研制过程中出现了压力脉动现象，影响了换热器的正常工作。以该型换热器为研究对象，将换热器分为燃气侧、汇总管、圆管等结构，进行了CFD仿真计算，与试验结果对比，修正了传热相关参数，建立了换热器理论计算模型用于参数计算；利用非线性方法分析试验数据，确定了该换热器为混沌系统；利用两相流分析与电路类比两种方法分别针对换热器进行了建模与计算，均捕捉到了相变下换热器内的压力脉动。结果表明：通过CFD仿真及试验修正后的参数用于计算换热器的稳态参数，具有较好的一致性；换热器出现压力脉动时，具有一定非线性特征，且压力脉动越大，非线性程度越高；该换热器出现压力脉动的原因为氧工况接近两相区，相变使得介质密度发生剧变。根据分析结果提出了提高换热器设计压力的改进措施，通过试验得到了有效验证。     

燃气轮机一次表面换热器换热性能计算分析

针对直通道逆流型和45°叉流型两种结构形式的、适用于燃气轮机的一次表面换热器在大雷诺数工况下的流动换热特性,开展了数值模拟研究。将直通道逆流型换热器的数值计算结果与换热器校核计算结果进行了比对,发现两者结果较为吻合。同时还对比分析了两种结构形式对一次表面换热器流动换热性能的影响。结果表明,由于波纹板呈45°交替放置,45°叉流换热器内部流动复杂,局部存在明显的涡流强化换热,气体流动通道内的速度、温度分布极不均匀;此外,45°叉流换热器的换热性能强于直通道逆流换热器,但其冷热两侧压降也大幅增大。通过分析换热器的内部流动换热特点和主要性能参数,为一次表面换热器芯体优化设计提供了依据。     

交叉式多股流板翅式换热器数值研究

借鉴顺逆式板翅式换热器研究成果,分析了交叉式多股流板翅式换热器传热机理,建立了基于有限容积法的多股流板翅式换热器传热数学模型,经过合理假设将翅片间距与单元格尺寸独立,拓展了前人数学模型适用范围.同时,以机载交叉式3股流板翅式换热器为例,对单元格尺寸选取进行了探讨,对同一通道单元格内流体流动横向传热进行了分析,证明了忽略流动横向传热的可行性,从而在保证精度不变条件下提高了计算效率;并在流体变入口参数条件下进行试验,对数值计算方法进行验证,通过与试验数据对比,理论计算误差小于7.9%,证明了数值计算方法的合理性.      

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.     

双两相流换热器的建模仿真

以分布参数、一维均相模型为基础，建立了管壁两侧两相流体流动时的质量、动量、热量传递的耦合方程，在稳态工况下对两侧工质分别为R134a和R22的换热器模型进行了数值求解，采用“假想亚稳态法”解决数值计算过程中确定流动相态的准则方程式，得出了两相流动传热过程中各种参数的变化规律，并对其进行分析，提出了对双两相流换热器性能进行评价的主要参数。     

内可逆Braysson循环的性能优化

用有限时间热力学的方法，考虑高、低温侧换热器的热阻损失，导出了恒温热源条件下内可逆Braysson循环的功率、功率密度和效率与温比间的解析式；并通过数值计算，得出高、低温侧换热器的热导率分配与工质温比对功率，功率密度以及效率的影响。     

空气预冷换热器的性能计算

提出组合发动机空气预冷换热器可供选用的板翅式和管束式两种结构型式。对选定参数的空气预冷换热器作了全工况跟踪计算。指出此种换热器的固有工作特点，给出其空气通道阻力特性的数值结果，以及通道尺寸和壁厚对换热器工作参数的影响。还对今后的工作提出了若干建议。