基于硬脂酸复合相变材料的被动热沉性能

固液相变储能材料的被动热沉广泛应用于航空航天及军事装备领域。针对高热流密度电子芯片的被动温控问题,对比实验验证了单温度和双温度2种数值模拟方法对基于泡沫铜/硬脂酸复合相变材料被动热沉控温过程模拟的准确性。结合基于Maxwell-Garnett模型的EMT建立了石墨烯纳米片/硬脂酸复合相变材料物性,采用更为精确的双温度数值模拟方法分析了不同导热强化方式的控温效果,并研究了环境温度对热沉控温效果的影响。结果表明:高热流密度下的相变温控过程采用双温度数值模拟更为精确;当导热增强体的体积组分相同时,提高泡沫金属的孔密度对相变温控效果提升有限,而同时采用泡沫金属与石墨烯纳米片能更有效改善相变控温效果;环境温度的剧烈变化对温控时间和控温温度均能产生影响。      

泡沫铜/低熔点合金复合相变材料凝固放热分析

为研究泡沫铜/低熔点合金(LMPA)复合相变材料在间歇放热工作环境下恢复至初始状态的能力及不同孔隙率泡沫铜的添加对其凝固放热过程的影响，通过数值模拟对比分析了47合金、正二十三烷与泡沫铜复合前后的凝固放热过程，并调节泡沫铜/47合金复合材料孔隙率计算模拟芯片温度在凝固放热过程中温度随时间变化曲线。结果表明:泡沫铜的添加对2类材料凝固过程均有促进作用，模拟芯片恢复至目标温度所需时间分别被缩短6.6%和47.7%。因体积潜热值的差距，泡沫铜/47合金凝固时需放出更多热量，恢复至目标温度的时间较长，是正二十三烷复合相变材料的1.52倍。随着孔隙率的增大，复合相变材料恢复至室温状态所用时长变化不大，考虑到孔隙率对相变热控过程中的影响，实际使用时应综合考虑。      

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.     

一种空间相变换热器热设计与仿真分析及其改进

基于相变计算方法即焓法处理相变材料凝固/融化模型,对一个以水为主动冷却介质,内填充石蜡类相变蓄热材料的板式相变换热器的换热进行数值模拟.得到了不同重力条件下冷却面的温度分布,相变材料在融化过程中的动态温度场分布、相变界面分布、融化时间等结果,验证了该相变换热器的可行性.对比该相变换热器在重力与微重力不同条件下的性能差异,利用添加强化传热肋片与泡沫复合相变材料方法,提高了微重力条件下该类相变换热器的效率,可为空间相变蓄热装置的设计及实验研究提供重要参考.      

环肋翅片管相变传热特性及分形优化

基于管壳式相变换热器,通过数值模拟方法研究了35号石蜡在矩形环肋翅片管外的融化传热特性,建立肋片单元三维模型研究热流体温度、肋片高度参数对传热过程的影响,并探究了分形结构翅片的优化传热性能。结果表明：矩形环肋翅片管外相变融化过程分为传热速率差异明显的3段,适用于不同功率需求;提高热流体入口温度和相变材料温差近似等比增强总传热功率;肋片高度由10 cm分别提高至12.5 cm、15 cm时,总融化时间分别缩短42.89%、71.96%,增强传热,但功率重量比降低;分形结构优化翅片总融化时间缩短41.95%,功率提高,为相变翅片管的优化设计提供参考。     

热冲击作用下钨钒合金的表面开裂及熔化行为

本文研究了机械合金化+热压（HP）烧结制备的钨钒（W-V）合金在热冲击作用下的表面损伤行为。以合金中钒的质量分数作为变量,探究钒质量分数的变化（1%~10%）对钨钒合金抗热冲击性能的影响。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、纳米压痕仪等多种测试方式,分析表征了HP烧结钨钒合金的组织结构特征及其经过热冲击测试后的表面开裂及熔化行为特征。结果表明:在1 800℃、20 MPa的压力条件下保温2 h可以制备出致密度高、合金化程度高的钨钒合金,且随着钒质量分数的增加,合金样品的致密度有所提高;合金样品中钨基体硬度大于富钒相,在高能电子束模拟的国际热核聚变实验堆（ITER）边界局域模（ELMs）热冲击作用下,钨基体对裂纹扩展的阻碍作用明显强于富钒相;随着钒质量分数的升高,合金的开裂阈值和熔化阈值均降低,本文对相关机理进行了讨论。      

液氮贮箱常压停放实验与数值仿真

为研究低温推进剂的常压停放过程,设计了可视化液氮贮箱实验系统。实验中研究充填率和环境温度对液氮汽化量的影响,并测量贮箱内流体和贮箱外壁面的温度随时间和位置的变化。实验得出贮箱常压停放过程,相变主要在壁面和气液界面产生,并且气枕区存在温度分层,距出口位置越近温度越高;而液体区温度基本一致,处于饱和状态。贮箱外壁面在轴向的温度分布显著不同,处于液体区壁面温度低。运用分子动力学推导出的Hertz-Knudsen公式作为气液相变的传热传质源项,并据实验测得温度边界条件,采用混合物模型对贮箱常压停放状态进行30 min的数值仿真。仿真得到结果显示体积汽化速率与实验数据的偏差在5%以内,液体区的温度仿真与实验的偏差在0.15 K左右。      

严格随机正则(3,s)-SAT模型及其相变现象

研究变元和文字出现次数受限制的规则3-SAT问题,提出了一种严格随机正则（3,s）-SAT问题,并给出了该问题的实例产生模型--SRR模型。结合一阶矩方法和生成函数展开项系数的渐近近似技术,证明了严格随机正则（3,s）-SAT问题相变点的上界,即当变元规模N较大且变元出现次数s>11时,严格随机正则（3,s）-SAT实例是高概率不可满足的。实验结果表明：由SRR模型所生成的随机实例中,当N>60且s>11时,所有的（3,s）-SAT实例均是不可满足的,而当N>150且s<11时,所有的（3,s）-SAT实例均是可满足的,即严格随机正则（3,s）-SAT实例的相变点位于s=11处,且在s=11处（子句变元比为11/3）的严格随机正则（3,s）-SAT实例,比在相变点（子句变元比）4.267处同规模的均匀随机3-SAT实例更难求解,因此,SRR模型可以很方便地在s=11处构造难解的随机3-SAT实例。     

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。      

液态金属镓微重力下的融化传热特性

相变蓄热适用于周期性热流作用下航天器内部工作单元的温度控制,但是需解决微重力环境下相变材料融化速率低的问题.鉴于液态金属高导热系数和高单位体积潜热的特点,在微重力下将液态金属作为相变材料有望提高融化速率.通过对微重力下液态金属镓融化过程的相界面演化、流线和温度分布特征进行数值研究,分析了腔体尺寸和过热度对融化过程的影响.结果表明:微重力下镓的融化过程中,热传导起主导作用;镓的融化时间比冰和正十八烷分别减少了88.3%和96.4%,储热量分别为冰和正十八烷的1.2倍和2.2倍;融化时间随过热度增加而减小,随腔体半径增大而增大.此外推导出了液相分数随无量纲时间变化的关系.      

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.      

提高低导热材料表面温度均匀性方法的研究

比较了不同低导热材料的高温热导率测试装置特点,确定了在整体加热方式下试样表面温度均匀性差是限制测试准确度提高的一个原因,提出采用分区加热的方法改善试样表面温度均匀性。选取三种不同热导率范围的材料作为被测试样,分别做了试样整体加热和分区加热的模拟计算。结果表明,整体加热方式只能在试样表面中心有限区域形成均温区,而分区加热方式能显著改善试样表面温度均匀性。     

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.     

红外窗口材料的热辐射特性测量方法

飞行器在大气层内高超声速飞行时,高温窗口迅速成为气动热辐射效应的主要因素,气动热辐射效应会降低甚至破坏红外(IR)探测系统的性能.通过分析红外探测窗口热辐射传输特性,提出一种红外窗口材料的热辐射特性测量方法,并测量了应用于中波红外(MWIR)探测系统的某蓝宝石红外窗口材料在高温状态下的透过率和自身辐射等热辐射数据.结果表明:在100~350℃范围内,0.1mm厚蓝宝石材料薄层在中波红外3.7~4.8μm波段的热辐射特性与温度近似呈3次方关系,温度越高,蓝宝石透过率越小,自身辐射越大.强烈的自身辐射极易导致红外探测器局部饱和现象,对探测系统造成的影响比透过率引起的信噪比(SNR)下降要大得多.