材料在烧蚀时的温度分布函数及烧蚀速率——恒温移动边界问题的一种解法

航空与火箭技术中、烧蚀材料作为热防护层得到广泛的应用,并对其进行了大量实验研究与理论分析,而了解材料在烧蚀过程中的温度场及烧蚀速率是有着实际意义的。 实验研究证明,在稳态烧蚀时,烧蚀材料表面温度一直保持在相变温度(熔点或热分解点)上,因此它是属于恒温移动边界问题。按热传导的一般理论,可得出级数形式的解析解或直接对微分方程进行数值解。     

生物体冻结研究

从简单的数学模型出发，利用直观的温度及浓度分布假设，对生物体冻结过程中的传热、传质进行了理论分析，并将结果与精确解及测量值进行了比较。其解法简单，省去了以往的有限差分求解的繁琐的计算过程，并且计算结果与试验数据吻合得很好。     

ADN基推力器热回浸对毛细管微尺度流动特性影响的数值模拟研究

小推力ADN基推力器在工作中,其毛细管内的推进剂容易在壁面传热作用下发生相变,进而影响推力器的正常工作。为了深入理解推进剂在毛细管内的相变和流动特性,采用三维数值模拟方法对毛细管微尺度流动和相变特性进行计算。计算考虑了毛细管与喷注器内的流固耦合传热、推进剂相变过程。推进剂相变采用Lee模型,气液体积分数的求解和气液界面捕捉重构采用VOF-CSF方法。本文首次采用VOF模型耦合Lee相变模型计算了ADN基推进剂在毛细管内的相变过程,并结合气泡空间分布仿真结果得到了质量流量和热回浸温度对流动特性的影响规律。计算结果显示,受到ADN基推进剂的冷却作用,毛细管内壁面温度要略低于外表面。毛细管内的气泡形成于弯管处,其体积沿着毛细管轴向下游逐渐增加,采取散热措施可减少并推迟气泡的形成。随着ADN基推进剂质量流量的降低或下游热回浸温度的增加,毛细管内的气泡均显著增加,且形成区域更接近上游区域。当热回浸温度从800K增加至1100K时,毛细管内的气泡体积从25.6mm~3增加至58.7mm~3。     

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.      

八水氢氧化钡相变材料储热性能实验

采用八水氢氧化钡（Ba（OH）₂·8H₂O）作为相变储热材料,经过150次熔化-凝固热循环实验,发现随着热循环次数的增加,Ba（OH）₂·8H₂O的相变点温度变化很小,但是该相变材料结晶时存在严重的过冷现象.通过扫描电子显微镜获得50次热循环后Ba（OH）₂·8H₂O与铝合金和紫铜金属材料之间的腐蚀情况图像,图像分析表明,Ba（OH）₂·8H₂O与紫铜有良好的相容性.搭建了含/未含泡沫铜的相变储能装置的实验台,对比实验结果表明,泡沫铜填充不仅可以提高相变材料的传热效率,而且能够有效地降低Ba（OH）₂·8H₂O的过冷度.      

BiFeO_3掺杂K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3-LiSbO_3无铅压电陶瓷的相变及退极化性能研究

采用传统陶瓷常压烧结工艺,制备了BiFeO3掺杂0.95K0.5Na0.5NbO3-0.05LiSbO3(0.95KNN-0.05LS)无铅压电陶瓷,研究了该陶瓷的相转变、热滞与退极化性能。未掺杂和掺杂0.4mol%BiFeO3的0.95KNN-0.05LS陶瓷在室温下分别为正交相结构和正交相与四方相共存结构。掺杂后的陶瓷样品具有明显的热滞现象,热滞的温区约为300～380℃,对应陶瓷四方相与立方相共存的温区。所有陶瓷样品的平面机电耦合系数kp随温度的升高均减小,在300℃以下均有kp≥0.30。掺杂与未掺杂的KNN-LS陶瓷的退极化温度分别为360℃和370℃。     

加入纳米颗粒的相变悬浮液黏性和热导率特性

提出了在相变悬浮液中添加TiO2纳米颗粒以提高其热导率的概念,并使用旋转流变仪和热物性仪测量了这种新型悬浮液流变特性和热导率。研究结果表明,对于体积浓度为10%的相变悬浮液,当加入的纳米颗粒质量浓度不超过5%(体积浓度1.18%)时,低剪切率下悬浮液表现出非牛顿流体的特性,高剪切率下仍可视为牛顿流体。相变悬浮液的黏性随纳米颗粒浓度增加而增加,当纳米颗粒质量浓度为5%时,相变悬浮液的黏性提高约23%。相变悬浮液的热导率随着纳米颗粒浓度的增加而增加,当纳米颗粒质量浓度为5%时,相变悬浮液热导率提高约7.3%。     

聚碳硅烷复合涂层抗激光烧蚀研究

提出在飞行器表面涂敷经过固化的聚碳硅烷复合涂层,激光照射时聚碳硅烷吸收激光能量发生分解和相变等物理化学过程,最终形成耐高温SiC陶瓷,从而减弱或消除激光对飞行器的打击.实验以铝合金为基板,以聚碳硅烷和二乙烯基苯混合溶液为涂料,并添加了ZrO2、V2O2,等高温可发生相变的陶瓷,铝合金基板涂覆后在150℃大气环境下保温6 h固化,形成黏附性好、有一定硬度的抗激光涂层,然后通过连续激光进行烧蚀验证.结果表明,基板没有烧蚀变形,聚碳硅烷涂层在激光烧蚀作用下发生分解、相变.生成了SiC陶瓷和游离C.其中添加剂ZrO2因高温相变体积缩小缓解了涂层与基板的热失配,不仅吸收激光能量,消弱了激光烧蚀,而且涂层与基板结合牢固没有脱落,对激光有良好的阻挡作用.     

复合相变蓄热材料传热特性计算与实验研究

复合相变材料（PCM）作为一种固/液相变材料与多孔高导热泡沫等材料复合而成的新型材料体系,具有潜热大和热导率高等优异性能。因此,基于复合相变材料的蓄热装置成为新一代飞行器热管理技术的研究热点。以碳化硅（SiC）泡沫填充石蜡类相变材料为研究对象,采用有限容积法与等效热容法相结合的方法,建立了考虑材料细观与宏观传热特性的复合相变材料传热特性数值预测方法,搭建了实验平台并开展了材料传热特性的实验研究,验证了计算模型与方法的有效性。相关方法可为材料孔隙率、微结构等特征对复合相变材料传热特性的影响规律研究以及材料蓄热性能的优化提供参考。