微重力条件下两相流动沸腾换热地面等效模拟试验研究的必要性

介绍了航天器的热控制模式、对在微重力下的单相流与两相流的换热系统、微重力下与重力场下的两相流沸腾换热进行了比较。最后论述了在微重力条件下进行两相流沸腾换热地面等效试验研究的必要性。     

底部封闭竖直细管内纳米流体的沸腾特性和临界热通量

以水-氧化铜纳米颗粒组成的纳米流体为工质, 对底部封闭细小圆管内的沸腾特性以及临界热通量进行了实验研究.结果表明:沸腾时管内纳米流体的浓度不随加热时间长短而改变, 沸腾液体的纳米颗粒除微量吸附在管壁外, 其余全部被蒸汽携带走, 同时吸附层厚度到了一定程度就不再变化.相对于纯水而言, 随着纳米浓度的增加, 纳米流体的沸腾特性有所劣化, 这主要是因为纳米颗粒吸附在管壁上, 减小了壁面粗糙度, 从而减小了液体和壁面的接触角.随着纳米浓度的增加, 纳米流体的临界热通量也随之增加.纳米流体的临界热通量不仅与管长与管径比有关, 而且还与纳米浓度有关.      

气动加热影响下的液氧储罐内温度分层与相变特性仿真分析

采用三维模型数值模拟液氧储箱预增压上升过程,对液氧相变特征以及温度分层发展规律进行了分析。从计算结果可以看出:在气动加热影响下,气液界面液氧蒸发速率在0.012 6kg/s附近振荡;近壁面液氧沸腾速率随时间变化规律与外界漏热量一致,整个过程相变速率平均值为0.086kg/s。随着高温增压气体通过散流器喷射进入气枕空间,液氧温度分层逐渐明显,温度不断升高,预增压183s气液界面处液氧温度从89.51K升高至93.61K,平均温升速率0.022K/s。     

低温液体火箭发动机预冷自然循环回路的流动与传热特性研究

针对低温液体火箭发动机预冷自然循环回路的流动与传热过程,建立了一维非稳态均相流数学模型,采用反环状流和弥散流两种流型描述膜态沸腾流型及传热特性。数值计算结果表明：自然循环预冷回路中推进剂流量的不稳定特性是由驱动力——循环回路释热量的不稳定性造成的;预冷过程约80％的管路壁面温度下降由膜态沸腾所引起;反环状流和弥散流膜态沸腾流型的引入,可较好解释回流管壁面温度在预冷过程中的逆向分布规律。     

过氧化氢溶液表面沸腾换热研究

运用传热传质理论对过氧化氢溶液受热分解的表面沸腾换热过程进行分析,提出了换热系数的基本关系式.在5%～30%质量分数范围内的实验数据表明:表面换热系数随着热流密度、主体温度及溶液质量分数上升而增大;壁面温差存在极限值,其随着热流密度、质量分数和主体温度的上升而下降.      

微重力池沸腾中的气泡和传热行为数值模拟

基于标准动量传输方程、连续性方程以及能量方程,建立了单个气泡的二维数值模型,考察了微重力过冷核态池内沸腾中的气泡动力学和传热行为.在动量传输方程中耦合了表面张力和Marangoni力,连续性方程和能量方程中耦合了相变效应,考虑了加热面上过热液体层的影响,并引入相场函数捕捉气液界面的动态变化.结果表明:气泡在生长过程中,形状由最初的半球形变为椭球形,最后变为脱附时的梨形;气泡在加热面上自由迁移,呈非轴对称结构,并且气泡上部的温度场呈现为蘑菇云状;气泡的脱附直径正比于g-0.488,脱附周期正比于g-1.113,加热面上的平均热通量正比于g0.229.      

阵列射流冲击复合不同肋化表面的沸腾特性

阵列射流冲击冷却技术可以有效地解决高热流密度器件的散热问题,为了验证受冲击表面强化传热结构对优化两相射流冷却性能的有效性,结合高速显微摄像手段,研究了不同肋化表面结构形态对受限式阵列射流冷却的流动、传热特性的影响。设计了2种含不同肋化表面形态:光滑切割针肋（0.6 mm×0.6 mm×1.0 mm）、外覆多孔烧结层的粗糙针肋（粒径为73~53 μm）。实验使用无水乙醇为工质,以光滑表面的射流冷却热沉为对照组,入口温度均为20℃,在固定工质流量7.5 mL/s下,随着加热热流密度由5 W/cm2增加至100 W/cm2时,热沉的换热系数均持续上升但增幅逐渐减小,未明显观察到沸腾相变的发生。对固定热流密度82.6 W/cm2、80.5 W/cm2改变工质流量（射流雷诺数）的实验工况,当工质流量由7.5 mL/s逐渐降低至1.0 mL/s时,可以非常明显地观测到射流腔内部工质由分层湍流逐步进入泡状流、弹状流及环状流,其分别对应起始沸腾区、核态沸腾区及膜态沸腾区。      

超（近）临界压力航空煤油RP-3的拟过冷沸腾传热特性

为了研究吸热型碳氢燃料在新型飞行器中的再生冷却性能,采用电加热方式,在热流密度0.1-1.0MW/m2和质量流速500-1000kg/m2s条件下,小通道圆管内（D=1.6mm）研究了超（近）临界压力下（P=3MPa）航空煤油RP-3的拟沸腾流动传热特性。研究发现了超（近）临界压力航空煤油的拟过冷沸腾传热现象。拟过冷沸腾壁温变化特征和传热恶化特征与亚临界压力下的相应特征存在差异。超临界压力航空煤油传热区域划分为类液态强制对流传热区、拟过冷沸腾区和类气态强制对流传热区。拟过冷沸腾壁温和传热系数随流体温度增加而缓慢增加,起到传热强化的作用;拟临界温度区域,存在传热系数极小值点,燃料发生传热弱化;燃料温度大于拟临界温度,燃料处于超临界类气态,传热大幅强化。     

动载对管内汽水两相流流阻、空隙率和传热的影响

利用旋转平台对动载作用下单相水和沸腾两相流流动及传热特性进行了实验研究.通过改变旋转速度、入口温度、液体流量等参数,获得了静止和旋转2种状态下的单相水及沸腾两相流实验数据.对旋转状态下的管内两相流型进行可视化拍摄,得到了动载作用下的两相流型图.结果表明,过载方向与流动方向相反时,过载越大,管内压力和流阻越大,液相流量、空隙率和流体得热量越小.可见,动载阻碍流体向前流动,强化了管外散热,削弱了管内流体的相变换热能力.     

动载对管内沸腾两相流传热特性的影响

对旋转状态下的单相水及加热单相水至沸腾的两相流进行了对比实验.通过对热耗散、流型、流阻及传热的分析与计算,研究了动载对流体流动与传热的影响.结果表明:过载强烈影响两相流动(尤其是流阻)和热传递方式,增大了流体的流阻和热损失,并削弱了流体的得热能力.动载引起的冲击交混流改变了管壁温度的均匀性和变化规律,即随着过载的增大,在一定范围内,管壁底部温度降低,顶部温度升高.