飞机波浪水面迫降过程中极限冲击载荷数值研究

针对飞机在波浪水面迫降过程中机身所受的极限冲击载荷大小及其物理成因问题,采用数值模拟方法展开研究,结合有限体积法和流体体积（VOF）法捕捉自由面,采用六自由度（6DOF）模型和整体运动网格（GMM）处理水面与飞机之间的相对运动,模拟飞机的迫降过程。通过选择飞机相对水面下沉速度最大的波面相位作为迫降触水位置,预报机身所受的极限冲击载荷大小。结果表明:在波浪水面迫降的触水阶段中,机身遭遇了平静水面未预见的冲击峰,同时冲击峰值大小与飞机相对水面的下沉速度有关。此外,对比了在5种不同波高海况下飞机迫降的运动姿态和过载变化历程,给出了波高对极限冲击载荷和其余各参数峰值的影响规律,为飞机载荷分布设计提供参考依据。      

自然对流对相变材料熔化过程的影响分析

为分析自然对流对相变材料熔化过程的影响,建立了二维瞬态、固/液相统一的控制方程,采用SIMPLE算法对底部加热、顶部冷却的方腔内相变材料熔化过程进行了数值仿真,研究了方腔内温度场和速度场随时间变化规律,结果表明:自然对流使液相区等效导热系数增大;随着固液界面向上移动,液相区自然对流逐渐增强,流动状态不断变化.     

相变材料熔化过程中自然对流振荡现象数值计算研究

为了解自然对流对相变材料熔化过程的影响,对相变材料液相区自然对流振荡现象进行了研究,建立了固/液相统一的控制方程,采用焓-孔隙度法和Boussinesq假设,模拟了重力条件下熔化过程,结果表明:当瑞利数(Ra)较小时,液相自然对流具有稳定解,随着Ra数增大,自然对流从稳定流动向周期振荡过渡。     

微重力条件下泡沫复合相变材料蓄热装置数值仿真

相变材料由于相变过程中吸收或者释放大量能量且过程近似等温这一特性而有巨大的应用潜力,将相变材料蓄热装置应用于航天器是维持航天器内各个单元工作温度的一种有效方法.提出一种基于正二十烷的相变蓄热结构方案,分别填充泡沫铜与泡沫碳作为基体材料来强化相变材料的传热性能.通过对该模型进行数值仿真计算,得到相变蓄热装置温度、固液相界面位置随时间的变化等有效数据,分析泡沫相变蓄热材料在微重力条件下相变界面的演变过程.结果显示,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域,减缓热源面温度上升速度,并且降低重力变化对传热的影响.所得数据结果为泡沫复合相变材料的工程应用提供了科学依据.     

返回舱垂直自由入水砰击过程的数值模拟

文章数值研究返回舱垂直自由入水砰击过程中水气流场与返回舱运动之间的动力学与运动学耦合问题。水气两相流的流动方程选为非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS）方程和Realizable k-ε湍流模型,返回舱的运动方程选为刚体的一维平动方程,水气交界面的追踪采用流体体积函数（VOF）方法,返回舱与水面之间的相对运动采用动网格技术实现。在计算方法得到试验验证的基础上,数值研究了返回舱的不同触水速度、质量对入水过程中砰击力、加速度等参数的影响规律;给出了入水过程中加速度峰值与触水速度及质量之间的定量关系式;发现了返回舱底部的入水砰击压强峰值发生在入水初期,且压强峰值始终位于喷溅射流的根部。     

罐车转向时液体晃动的仿真分析

采用VOF模型对罐车转向时液体晃动进行了数值模拟,对单室受力及侧倾力矩进行了计算.计算结果表明,无防波板时,随向心加速度增加,竖直、水平方向受力峰值及侧倾力矩均变大;随充液比增加,竖直方向受力峰值增大,水平方向受力峰值与侧倾力矩峰值先增大后减小;带防波板时,竖直、水平方向受力峰值减小,当防波板面积大于纵剖面积30%时防波板面积的增加能显著改善罐体受力;侧倾力矩峰值先增大后减小,在防波板面积等于纵剖面积30%时达到最大值,当防波板面积大于纵剖面积40%时防波板面积增加能提高防晃效果.     

罐车制动时液体晃动的仿真分析

采用Volume of Fluid (VOF) 模型对罐车制动时液体的晃动进行了数值模拟,对单室受力、受力位置及整车轴荷分配进行了计算,并通过与实验结果的对比验证了计算方法的可靠性.计算结果表明,无防波板时,随减速度增加,单室 x,y方向受力峰值增大,整车轴荷比增大;随充液比增加,单室x方向受力峰值先增大后减小,y 方向受力峰值增大,制动初始与结束时充液比越大轴荷比越大,1s左右充液比越大轴荷比越小;单室带防波板时,随防波板面积增加, x,y 方向受力峰值减小,当防波板面积大于横截面的40%时,增加防波板面积能显著改善罐体受力,且防波板面积越大轴荷比峰值越小.     

翼型波浪水面巡航地面效应数值模拟

数值求解非定常不可压缩流动的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和标准k-ε湍流模型,用VOR(Volume Of Fluid)方法模拟波浪水面,模拟了NACA2410翼型在波浪水面上方飞行的流场.研究了余弦波浪水面的生成方法,选取合适的计算网格和时间步长,避免了在生成规则余弦波浪水面时由于数值耗散使波面形状衰减.比较了固壁波浪与水面波浪计算结果的差异,发现固壁波浪的结果更接近余弦曲线分布.研究了波浪等级对翼型气动性能的影响,分析计算结果发现:在规则的余弦水面波浪上方飞行,翼型气动力呈现周期性,给出了一个周期内气动力的变化过程,以及波长和波幅对气动力平均值和波动幅度的影响规律.      

微重力下相变储能单元融化过程数值模拟

为探究微重力环境中,通过肋片强化了传热的相变储能单元中相变材料融化过程,通过数值模拟方法探究了微重力作用时相变材料融化过程中传热特性。通过地面实验与重力作用下数值模拟结果对比验证数值模拟方法的准确性,对比重力和微重力作用2种情况下数值模拟结果以揭示微重力环境中相变材料融化过程的特性。结果表明,当相变储能单元受微重力作用时,相变材料融化速率明显下降,热量主要通过热传导传递,融化的相变材料从顶端膨胀溢出向空间扩散,局部低温区域在相变储能单元中上部。      

移动电子设备相变热控单元热性能的数值仿真

采用相变材料(PCM,Phase Change Material)的热控制单元(TCU,Thermal Control Unit)可以很好地实现对可移动电子设备的热控制,避免设备过热而引起的热故障.建立了分析TCU热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.结果表明:加肋和填充泡沫-PCM复合材料的设计方案可以显著提高TCU热性能,能很好地满足电子元件的工作要求.此外,还对加肋和填充泡沫-PCM提高TCU性能的效果进行了比较,结果表明:填充泡沫-PCM复合材料的方案更具优势.所得结论对移动电子设备TCU的设计和优化有一定的指导作用.     

泡沫铜作为填充材料的相变储热实验

对填充有泡沫铜的固-液相变储热装置进行了试验研究.采用纯度为98%的正21烷(C₂₁H₄₄)作为相变材料(PCM),通过抽真空灌注的方法将其灌注到泡沫铜内部,封装并作绝热处理后作为试验件.在进行储热试验时,用嵌入了加热棒的铝制底座模拟被散热件对试验件加热,利用探针式和贴片式铂电阻(pt100)测量试验件温度并通过数据采集仪进行采集.整理绘制了在不同加热功率下的温度时间曲线,讨论和分析了此装置的热性能,结果表明泡沫铜作为填充材料能明显改善相变储能装置的传热性能和内部温度均匀性.      

锂电池相变材料/风冷综合热管理系统温升特性

锂电池在高倍率充放电过程中会产生大量热量,此热量不及时散出会导致电池超温进而影响电池的使用寿命,甚至导致安全事故。本文设计了一种新型相变材料/风冷综合热管理系统(TMS),并对综合热管理方式下的电池温升特性进行了实验和理论研究。基于集总参数法,结合电池生热及散热机理,建立了电池发热功率计算模型以及相变材料/风冷综合TMS电池温度场数学模型,计算了电池单体发热功率,分析了环境温度、电池充放电循环初始温度、相变温度、对流热阻以及电池和相变材料之间的导热热阻对电池综合TMS性能的影响。结果表明:综合TMS的冷却性能优于纯风冷热管理系统;电池充放电过程为非稳态传热过程,因此较高的初始温度带来超温风险;电池温度场数学模型能准确反映电池升温行为;较高的环境温度下,电池最大温升幅度降低,但可能导致电池最高温度超过安全温度;相变材料的相变温度越低,电池最大温升越低;减小导热热阻及对流热阻能显著提高TMS性能。     

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.     

不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10^-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s^-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.     

一种新型储能装置充冷过程的实验及分析

近年来,泡沫金属作为填充材料在强化传热方面的功效已被越来越多的研究证实.采用泡沫铜和水构成新型复合相变材料,制成一种高效储能装置,通过模拟实验研究,测试了这种储能装置在冷藏装备上的保温效果.进而采用准稳态法建立了复合相变材料的数学模型并进行了数值仿真计算,计算结果与实验测试结果相符.实验和数值仿真结果都表明,相对传统储能装置,新型储能装置充冷迅速而充分,整体的传热速率和储能效率得到了显著提高,在冷藏运输中有非常好的应用前景.