热防护系统高温纤维隔热毡传热及有效热导率分析

针对重复使用运载器热防护系统纤维隔热毡内部导热和辐射的耦合换热问题进行了分析,应用有限差分法建立了纤维隔热毡的数值分析模型.通过数值求解传热方程,计算了稳态的有效热导率.计算结果表明辐射和气体传导是纤维隔热毡内的主要传热方式,辐射作用随压力和试样密度的增加而降低,在试样温度高的一侧辐射是主要的传热方式,而在温度低的一侧气体传导为主要的传热方式;试样的有效热导率随纤维的平均直径、压力和温差的增加而增加,随试样密度的增加而降低.本文的计算结果与文献中的实验结果吻合较好,可以为纤维隔热毡及热防护系统的优化设计提供理论参考.     

金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热分析

采用能量平衡方程和两热流密度近似法建立了金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热的数学模型,并利用测量多层隔热材料单元的有效导热系数的实验和遗传算法对纤维隔热材料的辐射衰减系数和隔热屏表面辐射发射系数这两个热物参数进行了优化,最后用实验测得的多层隔热材料的有效导热系数验证了采用优化后参数的多层隔热材料的稳态传热模型的正确性.     

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义,相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题,利用多尺度渐进分析方法,对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型,获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系,发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法,建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性,结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

Effects of Contact Resistance on Heat Transfer Behaviors of Fibrous Insulation

In this article, a numerical model combining conduction and radiation is developed based on two flux approximation to predict the heat transfer behavior of fibrous insulation used in thermal protection systems. Monte Carlo method is utilized to determine the modified radiative properties with experimentally measured transient external temperature as high as 1 000 K. It is found that the estimated radiative properties become time-independent after about t = 3 000 s. By comparing the predicted to the measured results in transient state, the contact resistance exerts significant influences upon the temperature distribution in the specimen. Results show that the averaged absolute deviation is 3.25% when contact resistance is neglected in heat transfer model, while 1.82% with no contact resistance.     

再入飞行器多层隔热结构优化分析

  针对可重复使用飞行器再入过程中热防护系统的复杂传热问题，采用有限元方法对可重复使用飞行器多层隔热结构(MLI)进行参数化求解,预测内部结构瞬态温度响应，对具4层反射屏的多层隔热结构进行优化设计，分析影响隔热性能的多个因素（如反射屏的分布,屏间纤维厚度和最上层反射屏与热边界距离）对隔热性能的影响规律，为多层隔热结构的优化设计提供相关参考。     

多层打孔隔热材料空间应用热性能研究

在分析了空间多层打孔隔热材料中导热和辐射的复合传热问题的基础上,提出了空间多层打孔隔热材料反射屏温度计算的模型以及内部辐射数值分析模型.利用该模型对不同几何、物理参数下的对象进行模拟计算,通过对计算结果的分析,明确作为几何参数的层密度和层数以及作为表面特性参数的黑度和打孔率对材料热性能的影响.该热性能的研究对提高空间多层打孔隔热材料的隔热效果,实现材料的优化设计具有积极的指导意义.     

金属蜂窝夹芯面板有效导热系数的数值计算

对具有漫灰体内壁的金属蜂窝夹芯面板,忽略蜂窝内腔的空气导热,综合考虑蜂窝结构的热传导和热辐射等热传递过程,利用有限元方法求解了周期性分布的蜂窝单胞稳态热传导控制方程,蜂窝内壁的边界条件是由净热量法得到的热辐射换热积分方程,由胞元的温度场分布数据及Fourier定律得到了蜂窝结构的有效导热系数。与现有文献相比,采用了较少近似的模型及较高精度的离散方法,计算结果表明计算模型及方法是可靠有效的。     

基于细观颗粒夹杂模型的固体推进剂导热系数预测

为准确预测固体推进剂的导热系数,采用了分子动力学方法对高填充比固体推进剂细观模型进行建模.利用有限元理论对固体推进剂细观模型稳态热传导进行计算,结合计算细观力学均匀化方法,计算了固体推进剂细观模型的均匀温度和热流密度.根据计算所得的平均温度和平均热流密度值求解稳态热传导方程,得到了两相和三相固体推进剂的宏观等效导热系数.其中,两相固体推进剂的仿真结果与试验结果的误差只有3.63%.结果表明:在预测固体推进剂导热系数时,采用固体推进剂的颗粒夹杂模型可以充分考虑粒径大小、颗粒随机分布的影响,更真实地反映固体推进剂的微结构特征,计算结果准确可靠.      

高温合金前缘热防护结构隔热性能分析

高温合金前缘热防护结构由高温合金蜂窝和隔热毡、连接件构成,同时具有承载和隔热作用,易于拆卸和维修,具有经济性和安全性。通过分析高温合金前缘热防护结构隔热性能和承载能力,对前缘结构进行设计。高温合金蜂窝隔热效果良好,并可以承受1 200℃高温。隔热毡所用的隔热材料在高温试验下保持良好的隔热效果,验证了本文传热分析方法的正确性。建立了传热迭代分析算例,确认结构各项参数满足某型高速临近空间飞行器的热环境和承载使用要求,完成了前缘结构隔热一体化初步设计。     

多孔介质有效导热系数的计算方法

高孔隙率多孔介质如泡沫陶瓷在新型多孔介质燃烧器技术中应用日益广泛,其重要传热特性参数--有效导热系数反映了两相流气、固相导热、对流和辐射的综合效应,对其研究尚非常缺乏.本文基于实验测定的温度分布,给出多孔介质有效导热系数的初始估值,用有限体积法求解二维控制方程,采用二维寻优搜索的办法,确定使测定点上测量与计算温度均方根误差为最小的径向与轴向有效导热系数,是一种逆计算方法.对球粒子颗粒床进行的有效性试验证明了方法的可行性.     

GEO卫星多层隔热组件充放电特性仿真

多层隔热组件包覆于卫星外表面,占据了整星表面的60%以上,既是必要的热控组件,也是抑制空间强电磁环境源的重要载体。相较于卫星内部组件,星表直接面临高能粒子的冲击与作用,导致其在轨面临的静电威胁极为严峻。其本质原因是高能电子穿透多层隔热组件的面膜,沉积于多层组件内部间隔层,进而在介质材料层形成了内建电场,造成静电放电效应。针对多层隔热组件的复合结构特点,建立了合理优化的内带电物理模型及其计算模型,模拟了GEO环境电子在典型多层隔热组件电子输运过程,进而计算明晰了间隔层涤纶网的电场分布特性。结果表明,在GEO恶劣电子辐射环境下,多层涤纶网充电电场强度可高达9.7×10⁸ V/m,存在放电风险;涤纶网接地边、角处的电场强度最高且电场畸变幅度巨大;多层充放电风险主要来自涤纶网与反射屏之间的非紧密接触而伴随的不良接地情况,建议通过加密棉线缝合间距以提升涤纶网与反射屏的接触效果,从而降低多层的充放电风险。     

航天飞行器轻质纳米材料高温隔热性能

纳米隔热材料是一种新型航天飞行器热防护材料。本文使用自行研制的高速飞行器热试验系统,对Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能进行试验研究及数值计算,为高速航天器热防护系统的安全可靠性设计提供重要依据。研究结果表明,厚度仅为10 mm的Al₂O₃纳米材料板,当前表面温度为1 200℃时（1 800 s）,前后表面的温度差高达880.9℃,后表面温度降低了73.4%,且隔热性能稳定。另外与某空天飞行器轻质陶瓷材料进行了隔热性能的对比试验,结果显示轻质陶瓷材料板的背壁温度要比Al₂O₃纳米材料板高56%。说明Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能非常优异,在航天器和高超声速飞行器热防护中具有重要的应用价值。由扫描电镜（SEM）图像知,当温度超过1 200℃后,Al₂O₃纳米材料颗粒快速聚集生长,颗粒间的空洞尺寸显著增大,材料内部纤维出现熔融现象,裂纹数量增多、深度及宽度显著增大,影响材料表观导热率。另外,当温度高于1 200℃时,纳米材料板边界出现了较大的收缩变形和弯曲变形。基于试验结果可知,Al₂O₃纳米隔热材料应该在小于1 200℃的热环境中使用。     

航天器在轨全过程表面辐射热计算数值仿真研究

对在轨航天器表面辐射热计算进行了全过程数值仿真研究。航天器结构较复杂,针对不同结构进行区域分解,对几何模型进行相应的规则化,同时采用结构化网格和非结构化网格建立通用的计算网格自生成技术。仿真过程重点考虑了任意曲面的网格自动划分和任意形状交界面的数据传递,兼顾几何结构、物理过程、计算精度和计算速度。将有限元法和能束均匀分布法相结合计算角系数和辐射传递系数。将积分法和能束均匀分布法相结合计算外热流。由于在轨航天器表面多用多层隔热组件包裹,针对这部分结构采用节点网络法和控制容积法计算其表面温度,而未被包裹的结构采用有限元法计算其表面温度。对具有辐射换热关系的非连通区域温度场的有限元计算进行了分析和公式推导。最后,用Microsoft VC++6.0编程设计开发了近地轨道航天器表面辐射热计算仿真软件。     

真空环境中多层隔热材料的隔热性能

通过对一典型多层隔热材料在真空环境下的系列隔热性能实验和分析,分析了多层隔热材料层间温度差(Δt)的分布趋势,揭示了多层隔热材料在不同层间隔热性能的优劣特性及其变化规律。实验结果证明:多层隔热材料的层间温度差(Δt)变化呈U型分布趋势;外层隔热性能优于中间层的隔热性能,4层以内18层以外层间气流状态接近分子流,隔热性能较好,温度差(Δt)大;中间各层气流处于非稳态,隔热性能稍差,温度差(Δt)小;靠近加热板一侧层间温度差小于低温一侧。     

复杂边界条件下的多层多孔壁温度场的计算模型

经过推导给出了具有孔内和内外表面对流换热及外表面热辐射复杂边界条件下的多层多孔壁温度场的计算模型,并以具有陶瓷隔热涂层的全气膜覆盖气冷叶片为例进行了温度场计算。计算结果表明：陶瓷涂层具有明显的隔热效果,并可明显地减小冷却空气用量;燃气温度对壁温影响较大;考虑热辐射将更加符合实际物理过程;对于涡轮叶片若不考虑热辐射将低估壁温 1. ５％ ～3. ５％ 。该模型可用于多层多孔壁冷却结构形式的发动机高温部件的优化设计。     

An equivalent ground thermal test method for single-phase fluid loop space radiator

Thermal vacuum test is widely used for the ground validation of spacecraft thermal control system. However, the conduction and convection can be simulated in normal ground pressure environment completely. By the employment of pumped fluid loops’ thermal control technology on spacecraft, conduction and convection become the main heat transfer behavior between radiator and inside cabin. As long as the heat transfer behavior between radiator and outer space can be equivalently simulated in normal pressure, the thermal vacuum test can be substituted by the normal ground pressure thermal test. In this paper, an equivalent normal pressure thermal test method for the spacecraft single-phase fluid loop radiator is proposed. The heat radiation between radiator and outer space has been equivalently simulated by combination of a group of refrigerators and thermal electrical cooler(TEC) array. By adjusting the heat rejection of each device, the relationship between heat flux and surface temperature of the radiator can be maintained. To verify this method,a validating system has been built up and the experiments have been carried out. The results indicate that the proposed equivalent ground thermal test method can simulate the heat rejection performance of radiator correctly and the temperature error between in-orbit theory value and experiment result of the radiator is less than 0.5 C, except for the equipment startup period. This provides a potential method for the thermal test of space systems especially for extra-large spacecraft which employs single-phase fluid loop radiator as thermal control approach.     

固体火箭发动机绝热层温度场的有限元计算方法

利用有限元法计算了固体火箭发动机绝热层在移动边界条件下的二维温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的二维碳化烧蚀模型;推导了将热解气体对流项作为源项的有限元计算方法;采用当量对流换热系数和当量热流的方法处理复杂边界条件.采用无限插值法获得移动边界条件下的三角形网格,提高了网格生成速度和网格质量.计算结果表明,利用有限元法计算固体火箭发动机绝热层的温度场收敛性和稳定性都较好.      

飞机整体瞬态热状况的数值仿真研究

 在分析飞机内外热环境的耦合传热机制基础上，建立了描述飞机整体瞬态热状况的物理数学模型。引入壁面热流函数，将飞机蒙皮外的气动对流与辐射换热作用转化为舱内热分析的浮动热边界条件，实现了飞机内外耦合热作用的解耦计算，避免了难以实现的直接耦合求解。采用区域分解技术，将飞机整体分解为特性不同的多个求解区域。采用蒙特卡罗法求解舱内设备之间的辐射换热，采用热网络法求解设备内部及各设备之间的辐射-导热-对流耦合换热。利用该方法对某型飞机飞行过程中的瞬态热状况进行了数值模拟，获得了飞机舱内的瞬态温度场，分析了相关因素的影响，为飞机设计及相关研究提供了重要依据。     

考虑气体扩散渗透的隔热材料瞬态隔热性能数值模拟

高超声速飞行器机动飞行时环境压力变化导致隔热材料沿厚度方向存在压力梯度,进而引起隔
热材料内气体的扩散渗透,影响隔热材料隔热性能。为研究气体扩散渗透对隔热材料隔热性能的影响,建立了
隔热材料内气体扩散渗透模型,采用罗斯兰德近似、有限体积法建立了隔热材料内扩散渗透及辐射导热传热计
算模型,对气体扩散渗透条件下的瞬态隔热性能进行了数值模拟。算例模拟结果表明:对2 cm 厚纳米隔热材
料,在外界气压为0. 1 MPa,绝热面为真空的状况下,当渗透率大于10-14 m2 时,气体扩散渗透开始影响隔热材
料内传热,导致隔热性能降低,气体黏性系数对气体扩散渗透有显著影响,随着黏性系数降低,气体扩散渗流现
象显著;衰减系数对绝热面温度响应有显著影响,随着衰减系数增大,绝热面温度响应显著降低。     

客机APU舱温度场的数值计算

为研究大型客机APU舱传热过程和进行结构热分析,采用数值方法计算了APU舱温度场。采用商业CFD软件Fluent,选用Realizable k-ε湍流模型和S2S热辐射模型建立了APU舱内流动和传热数值计算模型,得到了流场、温度场和热流信息。APU舱中主要传热过程是辐射传热;APU防火罩和排气管隔热罩起到了热辐射遮热罩的作用;防火罩内的APU冷却空气对于降低防火罩温度有重要作用;排气管内的引射冷却空气有效降低了壁面温度。