液滴真空闪蒸/冻结过程的热动力学研究

建立了低压真空环境单液滴闪蒸/冻结过程的热、质传递模型, 探索液滴在真空闪蒸/冻结过程中的热动力学规律和机理. 对液滴真空闪蒸/冻结过程中的温度、尺寸变化进行了计算, 分析了环境压力、环境温度、液滴初始半径与初始温度等因素对液滴闪蒸预冷时间、快速凝固后继续冻结时间和升华再冷最低温度的影响. 结果表明, 模型能够很好地描述液滴真空闪蒸/冻结过程的基本特征; 环境压力控制着闪蒸/冻结过程的主要特征及终态温度, 是主要控制因素; 液滴初始温度主要影响闪蒸速率, 而初始尺寸则主要影响预冷时间; 环境温度的影响可以忽略.     

激光与热丝点火对多组分液滴着火及燃烧的影响

采用挂滴方法,实验研究多组分单液滴的着火和燃烧特性,考察激光和热丝两种点火方式对液滴燃烧速率、火焰形貌及着火延迟时间的影响.实验结果表明,随着热丝点火时间增加,燃烧速率因液滴周围自然对流增强而加快.常重力下液滴火焰为包覆型火焰,火焰高度与液滴初始直径之比的最大值约为18.当t/t_b>0.4时,尚处于热丝加热阶段的火焰高度比没有热丝加热的高约5D₀,比激光关闭后的火焰高度高5~10D₀.与热丝点火相比,激光点火响应迅速,对液滴附近气体干扰小,是地面上比较理想的点火方式.固定激光脉冲时间,随着激光强度的增加,单液滴的着火延迟时间缩短.     

固液混合火箭发动机固体燃料的燃速计算

分析了固液混合火箭发动机的燃烧特点、燃烧中气相过程和固体燃料内部的传热过程,利用由传热理论得出的固体燃料燃速公式和阿累尼乌斯(Arrhenius)燃速公式耦合计算,得到了燃速与氧化剂流率、轴向距离、装药初温和时间的变化规律.计算结果表明固体燃料燃速主要受氧化剂流率和轴向距离的影响,随氧化剂流率的增加而增加,随轴向距离的增加而减小.固体燃料燃速温度敏感性小,在设计发动机时可以不考虑装药初温的影响.利用热力计算得到了绝热燃烧温度与氧化剂流率和药柱长度的变化规律,绝热燃烧温度随氧化剂流率的增加存在一最大值.计算结果与相关文献的报道比较吻合,为进一步研究固液混合火箭发动机的燃烧及流动问题打好了基础.     

圆柱状含液体介质的空间辐射器的传热效率

给出了求解典型圆柱状态含液体介质的空间辐射器传热效率的解析计算公式,降低了辐射器传热效率计算的复杂度,通过与数值计算结果的比对分析,认为用流体入口温度代替辐射器平均温度的假设在工程上是能够接受的,其引起的偏差小于5%。     

肋片参数对辐射器散热性能的影响研究

采用蒙特卡罗法计算等截面圆管直肋式辐射器的肋片和外管壁相互间的辐射换热,数值模拟了第一类换热边界条件下散热器的散热过程。分析了辐射器的肋片数、肋片高度、肋片厚度及管壁温度对肋片散热性能的影响。结果发现,在肋片质量一定的条件下肋片数及肋片高度均存在一优值,在该值附近肋片的散热效率最高,且该值受管壁温度的影响,温度越高该值越小;在肋片外形不变的条件下,增加肋片的厚度来提高辐射器的散热性能并不是经济的途径;肋片的散热效率随管壁温度的升高而减小,壁温较高时安装肋片的必要性降低。     

微重力下管肋式空间辐射器的整体优化分析

建立了向一重力环境下管肋式空间辐射器传热过程的数学模型，并以单质量散热量最大和热载体驱动功率最小为优化目标，对管式空间辐射器进行了优化分析。     

一种并行式CPL/LHP冷凝器的流动/传热分析

针对航天器的可展开式辐射器 ,对比分析了辐射器内冷凝管路的两种布局方式 ,并利用SINDA/FLUINT对微重力条件下并行式冷凝器内的两相流动 /传热进行了计算分析 ;研究了冷凝器后端节流管对冷凝管内汽 /液界面位置的影响 ,为冷凝器的设计和提高辐射器性能提供了相应的依据     

管路布局方式对载人航天器辐射器散热能力的影响分析

以采取双管路并联结构的载人航天器圆筒辐射器为研究对象,建立了辐射器散热能力数值分析模型,对比分析了不同参数下,并联支路工质相同流动方向和相反流动方向两类布局方式给辐射器散热能力带来的影响,选取的参数包括管路长度、管路进口工质温度和液体工质流量。计算结果表明,在辐射器面板面积和流体回路长度相同的前提下,两类管路布局方式对应的辐射器散热能力存在不可忽视的差别。随着管路长度的增加,入口工质温度的增加,工质流量的减小,工质流向相同的辐射器散热能力越来越高于工质流向相反的辐射器。在文章的参数设定下,工质流向相同的辐射器与工质流向相反的辐射器间最大散热能力差别可达到19.5%,最小散热能力差别可达到16.7%。     

三相线钉扎的大液滴蒸发实验

利用实践十号返回式科学实验卫星蒸发对流箱,开展了三相线处于钉扎状态且接触半径大于毛细长度的无水乙醇大滴在加热PTFE表面蒸发的地基科学实验。实验发现,液滴体积随时间线性递减,但钉扎大液滴蒸发过程中没有出现恒定接触角（CCA）阶段。与小液滴蒸发的恒定接触半径（CCR）阶段相同,大液滴的平均蒸发速率也与初始体积无关,表明受重力影响明显的大液滴蒸发主要发生在三相线附近区域。瞬时蒸发速率经历了迅速上升和之后的长时间内保持稳定两个阶段。与数值模拟结果对比分析发现,准静态扩散模型低估了三相线处于钉扎状态的大液滴瞬时蒸发速率,而同时考虑蒸气扩散与空气中自然对流经验模型的准确性取决于实验所用工质。     

空间液滴蒸发实验中液滴图像的无损压缩算法

为了提高空间液滴蒸发实验中图像无损压缩率, 根据连续采集到的液滴图像之间相关性很大的特点, 提出了一种基于JPEG-LS和帧间预测误差编码的图像序列无损压缩算法. 该算法对图像序列第一帧采用JPEG-LS算法编码, 对帧间预测误差帧进行Golomb编码, 从而实现对连续采集到的液滴图像序列进行无损压缩. 实验结果表明, 该算法比单纯采用JPEG-LS算法的压缩率有明显提高, 编解码过程更简单, 编码需要时间更少.     

纳卫星散热面与隔热层的联合设计模型与算法

纳卫星的被动热控系统对卫星舱内的温度控制及其有效载荷的可靠工作具有重要意义.散热面与隔热层设计是被动热控设计的两大关键环节.在对其进行传热学分析的基础上,建立了纳卫星散热面面积及隔热层厚度的联合设计模型和求解算法,阐述了应用这一联合设计模型与算法的具体流程,并以一太阳同步轨道纳米卫星为例,在客观分析其轨道热环境特点的基础上,对其散热面面积和隔热层厚度进行了设计计算、结果分析和仿真验证,得出了各设计参数间的制约关系,设计结果的分析及仿真验证表明:采用散热面和隔热层的联合设计可以得到较好的被动热控效果,这一联合设计模型与算法为纳卫星的被动热控系统设计提供了简便的设计计算模型和求解算法.      

实践十号卫星蒸发对流箱地面科学实验结果分析

实践十号卫星蒸发对流实验旨在研究置于加热底板的蒸发液滴在相变过程中,表面蒸发与表面张力驱动对流的耦合机理及其不稳定性.为与空间实验结果进行对比,利用蒸发对流箱完成在轨工况的科学匹配实验,获得相应工况的地面科学数据、工程参数及实验图像.通过对地面科学匹配实验结果进行分析,得到不同工况下液滴形貌（体积、表面积、接触角、液滴高度、液滴直径）变化规律,以及液滴蒸发过程中温度、热流量、蒸发速率和蒸发流量的变化规律.依据实验结果分析研究了具有质量交换的复杂流体相变界面的热质传输规律.     

舱外航天服空间热流分析计算

进行了舱外航天服的被动热防护性设计,了解其空间辐射换热及空间热流.分析了舱外航天服空间热交换的特点及其真空屏蔽绝热层的隔热性能,确定了航天服、地球、飞船及太阳照射方向的4种典型相对位置关系,对各相对位置下航天服的空间辐射外热流进行了分析,并建立了空间热流的计算方法,对航天服表面最大得热与漏热进行了求解.最终计算结果表明:航天服被动热防护性能对空间热流的影响很大.进行被动热防护设计首先应提高隔热性能,并适当减小表面太阳辐射吸收率与表面黑度的比值.     

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。      

单相流体回路辐射器性能优化方法

文章以“神舟”飞船辐射器为例,对管肋式单相流体回路辐射器的肋宽进行了优化分析。采用理论分析与数值求解相结合的方法,分析了管肋式辐射器常用性能评价方法--能质比及微元能质比（单位质量散热能力）随肋片宽度的变化规律;而后以提高辐射器能质比为优化目的,对辐射器肋宽进行了优化,得出了辐射器的最佳能质比对应的肋宽表达式;最后给出了“神舟”飞船辐射器优化前后的参数对比。文章对管肋式辐射器的优化设计具有很好的参考价值。     

逆载对管道内汽水两相流临界热流密度的影响

利用旋转平台对逆载作用下矩形通道内汽水两相流临界换热进行了实验研究。通过改变逆载大小、入口流体过冷度、流体质量流速等参数,获得了静止和逆载作用2种状态下矩形管道内汽水两相流临界换热实验数据。实验结果表明,质量流速随着加热时间的增长而减小,进出口压差则反之;临界状态下,质量流速随着逆载、过冷度的增大而减小;进出口压差随着逆载、质量流速的增大而增大,随着过冷度的增大而减小;临界热流密度值随着逆载、质量流速、入口过冷度的增大而增大;其中逆载对临界热流密度的影响最为显著,在逆载从0g~2.5g变换范围内,临界热流密度可提高50%。     

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

相变装置二维方腔内空穴分布规律研究

为了解微重力条件下空穴对相变传热过程的影响,在焓法的基础上增加了基于温度排序算法的空穴模型,在求解过程分析了温度场和空穴之间的相互作用;建立了相变装置的二维模型;研究了空穴在周期外热流条件下的移动规律。结果表明,从初始时刻到第8个轨道周期,低温区空穴逐渐消失并在高温区出现,空穴沿等温线方向扩散并最终积聚在高温边界附近,空穴的移动使传热路径上的热阻增大,导致相变装置冷热边界的传热温差增加了3℃。