液体火箭发动机推力室冷却通道温度分层数值研究

为了研究冷却剂温度分层的形成机理及其对流动和换热的影响, 应用雷诺应力模型(RSM)对液体火箭发动机推力室再生冷却通道的流动与传热进行了三维数值模拟, 冷却剂为气氢, 考虑其物性随温度和压力的变化.所得结果表明:冷却剂在非流动方向会出现温度分层现象, 随着冷却剂的不断受热, 温度分层现象越明显, 由于喉部二次流加强了冷却剂间的混合, 在喉部区域温度分层被减弱, 温度分层对冷却剂温升及压降影响较小, 严重影响气壁温度的估算.      

结冰风洞中过冷大水滴云雾演化特性数值研究

为明晰结冰风洞中过冷大水滴（SLD）云雾演化特性,发展了基于欧拉法的SLD液滴运动、传热和传质耦合计算方法,针对3 m×2 m结冰风洞主试验段水平收缩构型,分析了SLD云雾沉降收缩特性、动量平衡特性和热平衡特性,探索了液滴变形破碎的影响,评估了构型出口处SLD液滴动量平衡和热平衡状态。研究结果表明：直径超过250 μm的SLD液滴在构型内会发生显著形变,液滴尺寸越大则变形程度越强,尤其在160 m/s工况下,当液滴直径超过750 μm后,SLD液滴甚至会发生破碎;液滴变形破碎效应会增大液滴加速度和液滴温度下降率,促使SLD液滴趋近动量平衡和热平衡状态;SLD云雾（最大液滴直径小于1 000 μm）在构型出口处会出现显著的粒径浓度分层、动量分层和热分层现象,其中直径小于100 μm的小尺寸液滴速度快、温度低且不断凝结,趋于平衡态,但直径超过500 μm的大尺寸SLD液滴速度慢、温度高且不断蒸发,则显著偏离平衡态;增大试验段气流速度尽管会减弱SLD云雾粒径浓度分层程度,但会增强动量分层和热分层程度,尤其在160 m/s工况下,SLD云雾会均匀分布在构型出口中心区域内（-0.75 m < Y < 0.75 m且-0.5 m < Z < 0.5 m）,与其平衡态间的最大速度差和温度差将分别超过18 m/s和20℃。     

不同压力环境下竖直平板表面自然对流散热实验

飞行器从地面上升到太空的过程中所经历的大幅度环境参数变化,会导致飞行器及机载设备出现"超热"、"过冷"和"热分层"等现象。为得到不同环境压力下的关键参数--自然对流换热系数,本文搭建了一个能提供不同气压和环境温度的封闭试验舱,对在不同压力环境(0.0001,0.01,0.1,0.2,0.5,1,10,50 kPa和常压)下几种固定加热量(75,150,300 W/m²)的竖直平板散热进行了实验研究,通过对辐射散热和对流散热的分析比较,获取不用工况下气体的对流换热系数。结果表明:对流换热系数在绝对气压小于1 kPa时非常小,可以视作为0;在绝对气压大于1 kPa时,对流换热系数随压力的升高呈2次方增加;通过对环境物理参数的无因次化处理,得到的准则式方程可用于1~100 kPa的环境压力。     

Choice of optimal parameters of a gasodynamic temperature stratification process in the supersonic gas flow

The results of design analysis of the different factor influence on the gasodynamic temperature flow stratification efficiency in the Leont’ev tube are presented. It is justified that the temperature stratification efficiency can be increased at the expense of using longitudinal ribs on the heat exchange surface in the subsonic flow path, and the parameters determining the process can be optimized.     

容器单元表面热辐射率对吸热蓄热器的影响

吸热/蓄热器是空间太阳能热动力发电系统关键部件之一,主要作用是吸收太阳入射热流和蓄热。由于吸热/蓄热器内换热管各容器单元表面温度不同,热流通过热辐射重新分布,所以容器单元的表面热辐射率将很大的影响吸热器的热性能。通过太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型,结合换热管的传热模型计算吸热器的传热过程。计算得到了两种典型的换热管表面热辐射率下吸热器的能量损失、工质吸收能量、换热管最大温度,工质出口温度等结果,进行了比较分析,说明了表面处理对于吸热器热性能的重要性。计算结果可以用于吸热器的设计。      

综合热管理在先进战斗机系统研制中的应用

分析了国外先进战斗机的发展情况，对比了需求的变化和发展趋势，阐述了综合热管理思想的内涵。结合中国先进战斗机的研制，论证了综合热管理的必要性和可行性。结合中国实际情况，提出了热收集、热传输、热排散等综合优化设计方法，采用了多路径高效热收集传输手段、基于隐身的热排散等工程实现途径。综合应用基于温度控制的流量调节、内外循环热综合控制、多模式重构技术等手段，实现了热沉与制冷量的管理，满足了不同状态的热管理需求。针对未来的发展方向以及战斗机热管理面临的难题，提出了一定的见解。     

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.     

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。     

太阳能热动力系统吸热/蓄热器能量分析

空间太阳能热动力发电系统是一种新型的空间电力系统。吸热 /蓄热器是热动力发电系统关键部件之一。吸热 /蓄热器采用的蓄热方式是相变蓄热。通过对吸热 /蓄热器的能量分析 ,可以很好的了解吸热器的能量传递 ,以及相变材料的工作过程。建立了太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型 ,结合换热管的传热模型计算了吸热器的传热过程。得到了吸热器的能量损失、工质吸收能量、PCM的潜热储能和显热储能等重要指标 ,并且得到了换热管最大温度 ,工质出口温度等重要结果。计算结果可以用于吸热器的设计     

载人航天器主动热控系统流体回路的轻量化设计

建立载人航天器热控系统内各组成部分传热和质量的数学物理模型,对热控流体回路进行轻量化设计,并讨论相关参数对优化结果的影响。研究发现,在回路散热任务给定时,回路各组成部分的结构参数和辐射器内的散热管道数都存在最佳值,在该值下回路系统质量达到最轻。随着辐射器散热面积的增加,最优的辐射器内散热管道数减少;在给定辐射器散热面积时,当回路散热任务增加时,回路最优设计质量和辐射器内的最优管道数均增加。     

超临界压力下航空煤油传热恶化判别准则

为防止航空发动机热防护中的传热恶化现象,对竖直上升圆管内超临界压力RP-3航空煤油的换热开展了实验研究。着重考察了热流密度、进口压力、进口温度等运行参数对传热恶化的影响。探究了传热恶化特性,获得了传热恶化起始条件判别准则。进一步分析了浮升力和热加速对传热恶化的影响,建立了适用于航空煤油新的浮升力和热加速判别准则,以及考虑两者影响的换热关联式。结果表明：航空煤油传热恶化出现在Nu/Nu₀<0.5的条件下。以此作为依据,当浮升力因子Bu>1.6×10^-6或热加速因子Ac>3.3×10^-6时,引发传热恶化现象。换热关联式兼顾了浮升力和热加速影响,具有较高的预测精度。     

高超声速飞机热管理系统控制模型构建与仿真

以高超声速飞机为研究对象,提出了一种基于单相流体回路的热管理系统(TMS)模型,通过热控制策略与热沉调度模型实现热沉制冷能力最大化目标,解决新型高速飞机日益彰显的冷源不足问题。热控制策略利用系统辨识与热载荷预测算法,提出基于能量平衡与温度反馈配合的热控制模型,解决热惯性带来的控制延迟问题。基于热沉冷却能力评估与热载荷匹配提出热沉调度模型,旨在合理利用各种冷源,解决飞行后期冷源不足的问题。研究通过MATLAB/Simulink仿真验证模型及算法,结果表明:所设计的TMS能够满足高超声速飞机长时间飞行需求;考虑能量平衡的控制模型在超调量及衰减比方面均优于温度反馈控制模型;基于热沉调度策略能够降低冷源消耗速率,更充分地利用各种机载热沉。      

超临界压力低温甲烷波纹管内强化换热数值研究

以发动机主动再生冷却系统为研究对象,建立了碳氢燃料热物性高精度计算方法,在此基础上对超临界压力下低温甲烷在水平波纹管内的流动换热现象展开数值研究,初步分析了波纹管强化换热机理。进一步系统研究了波纹管节高比、管壁材料导热系数、壁面热流密度、入口压力以及雷诺数对强化换热和阻力特性的影响,并采用综合换热性能评价准则对各种因素的影响进行评价。研究表明:在超临界压力下合理选择波纹管可以显著提升换热能力,消除传热恶化现象,并且不会带来明显的压降损失;存在一个最优波高和最佳雷诺数,使波纹管具有最优的综合换热性能;增大管壁材料导热系数和甲烷入口压力可提高换热能力。     

微通道热沉对流传热理论模型及实验

用理论及实验相结合的方法研究了微通道热沉流动与传热特性.首先,总结并提出了微通道热沉对流传热的理论模型;然后,实验测量并计算了微通道热沉的压降及努塞尔数,其理论值与实验值吻合较好,平均误差在10%左右;最后,分析了不同雷诺数及通道宽高比时的导热热阻、对流热阻及电容热阻占总热阻份额的大小.结果表明:对流热阻是影响微通道热沉传热性能的重要因素,当雷诺数为985,通道宽高比为1时,对流热阻占总热阻90%左右;而在雷诺数较小时,导热热阻占总热阻的份额小于10%,可以忽略不计;电容热阻占总热阻的份额随着雷诺数及通道宽高比的增大而降低.      

节流制冷对低温贮箱主流液体控温影响分析

为研究低温流体节流特性及冷量引入对贮箱主流体控温影响,首先对低温流体节流干度和体积含气率进行了分析,结果表明质量占比较小的气相占据了大部分空间体积,对流动速率及换热产生较大影响;建立了节流制冷性能测试平台,采用液氮工质开展了节流前压力为0.3～0.37 MPa工况下的减压降温试验,节流前后降温达到了11.3～14.2 K;在集成节流阀孔的热力学排气系统（TVS）系统中,通过节流制冷使贮箱流体产生了平均6.5 K的温降,将贮箱压力控制在150～160 kPa范围;冷量的引入使主流区液体温度持续波浪式降低,气液界面热分层处的降温效果更加明显。     

旋转封闭循环小通道内液态金属热驱动换热特性研究

高速旋转条件下,封闭循环小通道内的流体(热驱动介质)在浮升力的作用下会产生热驱动运动,将热量不断的从高温端携带至冷却端释放。本文通过数值模拟的方法,研究了离心力场下封闭循环小通道中,不同性质流体的流动和换热特性。重点分析了以液态金属锂、钠和钠钾合金为热驱动介质时,热驱动运动的换热特性Nu随Bu和Ro两个参数的变化规律。研究中发现在一定的Bu数变化范围内,以液态金属锂、钠以及钠钾合金为热驱动介质所得到的Nu均随Ro数的增大而减小;当Ro数相同时,Nu随Bu数的增加而变大。研究结果表明高转速,低加热量时,采用液态钠钾合金为热驱动介质可以得到最好的热驱动换热效果;在高转速,高加热量时以液态锂为热驱动介质时,热驱动换热能力最强。      

热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用

针对机载电子设备的高热流密度和关键器件的高功耗,采用相变传热的微热管散热技术,在保持原受限空间和模块安装方式的前提下,研制出不同结构形式的热管散热模组。其结果证明,在满足机载使用要求和工作条件下,热管散热模组能有效解决高功耗器件的散热问题,实现电子模块的控温和均温,突破了机载电子设备结构热设计的瓶颈。本文结合实例从微热管结构对传热性能的影响研究、热管散热模组研制、数值模拟等方面介绍热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用,为微热管散热技术在机载电子产品领域的工程应用提供了重要的参考价值。     

碳/碳复合材料导热性能的研究

对碳/碳复合材料在不同温度下的导热性能进行了研究。研究发现了碳/碳复合材料的导热机理介于金属材料和非金属材料之间,既有声子导热,又有电子导热。在实验温度范围内,导热系数随温度升高而增大。随碳/碳复合材料石墨化程度的增大,晶体微观结构渐趋完整,石墨片层的有序度增加,材料的导热性能增强。对于高密度的碳/碳复合材料,因为晶粒间联通状态良好,热传导载体运动的路径畅通,所以导热系数高。碳纤维及围绕纤维生长的热解碳是热传导的有效通道,所以沿纤维增强方向的导热系数高。     

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果;在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

疏导热防护的冷却机制

利用固体介质快速传导特性进行防热是疏导热防护的一个重要机制,但现有的固体介质在高热流梯度区会出现净热流为负的现象,即流向传导的阻塞效应,它会严重影响高热流区的热量向低热流区的快速传递.本文提出的增加固体介质的导热系数和采用高温热管冷却是两个可以有效解决传导阻塞问题的方案.通过数值模拟评估了这二种方案对解决流向传递的阻塞问题的有效性,给出了一些规律性的结果.