具有恒热流边界的水升华器启动特性实验

水升华器是具有短时大功耗或所处环境温度较高的航天器较为理想的散热装置。以往的研究工作对水升华器的启动性能关注较少,本文对水升华器启动工作机理及其影响因素进行了分析,对初始温度、给水压力及热负荷对水升华器启动过程瞬态特性的影响开展了实验研究。结果表明:具有恒热流边界的水升华器在不同条件下启动后,均可以在给水后的短时间内建立稳定的相变工作模式;水升华器目标温度所能达到的稳定温度水平主要受热负荷的影响,而受启动初始温度和给水压力的影响较小;水升华器的启动响应时间与其初始温度、给水压力及热负荷均分别呈线性关系,较高的初始温度会增加水升华器的响应时间,而增加给水压力及热负荷则缩短了水升华器的响应时间。由实验数据分析得到的拟合系数1/aq0可以作为水升华器多孔板和加热面之间的等效换热系数。     

水升华器散热系统分析

 对舱外航天服热控系统所采用的多孔板水升华器的主要工作模式进行了讨论。研究了控制升华模式和周期模式工作的参数。在对多孔板多孔结构进行简化假设的基础上,建立了相关的数学模型,来预测水升华器的工作模式和换热器表面的温度。     

基于疏水功能表面的飞机防覆冰机理研究进展

如何规避飞机结冰产生的飞行安全隐患一直是航空领域的重要问题。近年来,疏水材料表面被动防覆冰概念被提出并快速发展起来。首先介绍了在液滴冲击阶段防止表面结冰的机理及方法,系统综述了包括减少水滴与表面接触时间以及减少冰核形成时间的研究方案。又进一步介绍了液滴结冰后的防覆冰机理,综述了通过优化疏水表面性能及微纳结构形貌减小冰黏附力的研究进展。最后对疏水表面防覆冰的发展趋势进行了展望。     

水升华器升华模式理论分析与数值仿真

针对水升华器在实际航天工程应用中的工作特性,以升华模式下的水升华器为研究对象,应用一维稳态导热、自由分子流动等理论模型,对水升华器内部热质平衡进行分析,得到了升华模式下的冰层厚度、升华温度等理论计算结果,并推导得到升华模式最大热载荷的无量纲特性曲线.利用商用软件ANSYS Fluent进行数值仿真,基于焓-多孔模型描述...     

民用飞机风挡防冰性能评估

民用飞机适航条款要求在结冰条件下应确保风挡外表面不能结冰,防止影响飞行员视界。因此应确保结冰条件下风挡具有足够的加热功率使其外表面温度高于冰点。根据防冰传热传质机理,利用CFD和Matlab相结合的方法建立了三维风挡热性能分析模型,对某型民用飞机风挡防冰性能进行评估。具体包括防冰热载荷确定、表面温度评估和关键参数校核三部分,并给出了典型飞行工况下风挡防冰热性能评估算例。     

飞机结冰探测技术及防除冰系统工程应用

飞机结冰是飞行过程中所面临的严重安全隐患,不同气象条件下会产生各种不同的结冰类型。文章介绍了几种常见冰型、成冰机理及其对飞机结构和系统可能产生的危害程度,分析研究了目前国内外飞机结冰探测技术的现状和发展趋势,总结了各种防除冰措施在飞机上的应用和技术特点,并以波音777飞机防除冰系统设计为例,说明典型飞机结构防除冰系统设计的特点和功能。     

机翼结冰分析与防除冰系统设计验证

飞机在结冰条件下飞行时可能发生结冰,飞机一旦结冰,会对安全飞行带来较大的隐患,如何降低飞机结冰带来的危害已成为飞机设计研究的重点内容.通过FENSAP-ICE对机翼进行数值模拟,并通过改进Messinger结冰热力学模型模拟更加真实的飞行情况;分析不同飞行环境下,飞机结冰前后机翼气动特性的变化,同时针对机翼设计一套防除冰系统并验证其可行性.结果表明:飞行速度越大,机翼表面的局部水收集系数越大;环境温度会影响机翼结冰的类型和结冰厚度,机翼发生结冰时,其升力系数减小、阻力系数增大,机翼的气动特性受到严重的影响;设计的电热防冰系统可以有效地预防机翼表面结冰,也可以进行周期性除冰.     

非结冰气象条件下机翼热气防冰系统数值模拟

为了在自然结冰飞行前预估飞机防冰系统的性能,减少飞行风险,开展了非结冰气象条件下飞机机翼热气防冰系统的数值模拟研究。数值模拟采用了计算流体力学方法;外部对流传热系数的计算采用附面层积分方法。机翼热气防冰系统表面温度的计算是将蒙皮外部散热热流、内部热气加热热流以及蒙皮导热三者进行热耦合,并进行了改进,改进的方法不要求防冰腔内、外两套网格在重合面网格处一致,是通过双向线性插值将一方面网格信息插值传递到另一方表面网格上,提高了计算效率。     

飞秒脉冲激光诱导TC4微结构表面抑冰特性实验

飞机发动机进气道前缘唇口积冰将会严重威胁航空安全,仿生研究表明具有微纳结构的疏水表面可以起到良好的抑冰效果。针对飞机唇口材料TC4,采用飞秒脉冲激光诱导制备TC4微结构表面,利用三维形貌仪和扫描电镜对TC4合金表面三维形貌和微纳结构进行观测,应用接触角测量仪分析表面浸润改性,依托结冰特性实验系统测试微结构表面抑冰抑霜性能,并分析飞秒脉冲激光加工工艺参数对表面微观结构和抑霜特性的影响机制。研究结果表明：随着激光扫描速度的增大,TC4合金表面形成的拱形沟壑深度增加,沟壑上方出现干涉条纹以及圆形凸起且微纳凸起的尺寸随扫描速度的增大而增大,接触角先减小后增大再减小;加工后表面液滴冻结时间比未加工表面延迟30 s;扫描速度2 000 mm/s时的液滴冻结时间最长,霜层质量最小,高度最低。飞秒激光加工TC4合金表面形成的微纳结构以及表面吸附的有机物能够改变表面接触角;粗糙度和表面形貌能够影响表面结冰时间和结霜量。     

并列双方柱的疏水涂层防冰效果结冰风洞实验评估

采用结冰风洞实验研究的方法,利用0.3m×0.2m结冰风洞主实验段,在不同结冰气象条件下对涂覆在并列双方柱实验模型表面的不同纳米疏水涂层结冰特性进行了实验研究,对左右并排的方柱实验模型表面的结冰外形进行了测量和比较,建立了基于9个结冰外形几何特征量的防冰效果量化评估方法,对有、无纳米疏水涂层表面的结冰外形几何特征量无量纲化偏差进行了计算和分析。研究表明:基于结冰外形几何特征量的防冰效果量化评估方法可以较好地评估纳米疏水涂层的防冰效果。与未涂覆防冰涂层的铝合金材料相比,硅橡胶及其添加颗粒的纳米涂层均具有一定的防冰性能,与硅橡胶涂层相比,有的添加颗粒的纳米涂层防冰效果略好一点,而有的略差一点,没有明显提高。在硅橡胶基底材料中添加纳米疏水颗粒,可以在涂层表面构筑一些微纳结构,从而起到防冰作用。因此,在硅橡胶涂层中添加纳米疏水颗粒是一种值得探索的防冰涂层制备研究方向,但如果仅采用物理混合搅拌的方法,纳米颗粒难以在硅橡胶涂层表面形成稳定疏水性能的微纳乳突结构。纳米疏水涂层只能降低结冰速率,无法完全杜绝材料表面的结冰现象。      

Ground-based investigations on phase-moving phenomenon with space sublimation cooling for lunar exploration missions

The lunar surface is a typical vacuum environment, and its harsh heat rejection conditions bring great challenges to the thermal control technology of the exploration mission. In addition to the radiator, the sublimator is recommended as one of the promising options for heat rejection. The sublimator makes use of water to freeze and sublimate in a porous medium, rejecting heat to the vacuum environment. The complex heat and mass transfer process involves many physical phenomena such as the freezing and sublimation phase change of water in the porous medium and the movement of the phase-change interface. In this paper, the visualized ground-based experimental approaches of space sublimation cooling were presented to reveal the moving law of three-phase point and the growth phenomenon of ice-peak and icicle in microchannels under vacuum conditions. The visualized experiments and results prove that the freezing ice is divided into the porous ice-peak and the transparent icicle. As the sublimation progresses, the phase-change interface moves downward steadily, the length of the ice-peak increases, but the icicle decreases. The visualized experiments of space sublimation cooling in the capillary have guiding significance to reveal the sublimation cooling mechanism of water in the sublimator for lunar exploration missions.     

Influences of mass flow rate on heat and mass transfer performances of water sublimator combined with fluid loop

For spacecraft working in vacuum environment, sublimator is an effective heat rejection approach to reject system's peak heat load, and supplement spacecraft radiation heat rejection. For a spacecraft active fluid loop thermal control system combined with sublimator, waste heat generated from multi-point distributed heat sources could be collected by the fluid loop efficiently. However, the heat and mass transfer performances of the sublimator combined with fluid loop have not been adequately studied in previous research, especially for the influences of the heat load. Since work fluid mass flow rate is the main factor affecting heat load of the fluid loop, this context experimentally studied influences of the fluid loop mass flow rate on sublimator start-up transient characteristics, including heat transfer performances, response time, and work stability. Results indicated that the fluid loop mass flow rate affected the sublimator heat and mass transfer performances obviously, but the heat rejection ability is not always increase with the increasing of the fluid loop mass flow rate. In addition, we obtained the condition to judge whether there is a positive correlation between heat rejection ability and fluid loop mass flow rate.     

一种微小型平板式热管的传热性能分析

对一种微小型平板式热管的传热特性在自然对流和强制对流冷却条件下进行了试验研究.并与同尺寸实心铝板的传热性能进行了试验对比.分析了加热功率、冷却强度的变化对平板热管传热性能的影响规律.结果表明:该微小型平板式热管具有良好的启动特性和均温特性.该平板热管的当量导热系数可达到其管壳材料导热系数的12.7倍,强化传热能力的效果相当明显,又克服了传统平板热管抗压能力较差、无法加工较大散热面积的弱点,在电子设备的散热冷却领域具有良好的应用前景.      

丙二醇改性水溶液的发汗冷却实验研究

针对液态水相变发汗冷却实验中的振荡、表面温度分布不均及结冰现象,对液体冷却剂进行调研,选取丙二醇添加剂对液态水改性,在主流温度573K,雷诺数1.2×10⁴的亚声速高温风洞中实验研究了不同丙二醇改性水溶液浓度和注入率下多孔平板的相变发汗冷却特性。结果表明：随丙二醇浓度增大,多孔平板对改性水溶液的渗透率增大,多孔平板表面温度的振荡幅度减小,同时振荡周期内温度波峰降低。因此,使用丙二醇改性水溶液作为冷却剂,发汗冷却结构表面温度分布更加均匀,热疲劳损伤减小,承温极限升高,进而烧蚀风险降低,这对有效且高效的热防护系统设计具有重要意义。另外,注入率越大平板表面冷却效果越好,表面温度的振荡幅度越小,因此增大注入率也是改善多孔板表面温度波动的有效方式。     

刷式密封流动传热特性数值方法

开展了刷式密封流动传热特性数值方法研究,分别建立了刷式密封多孔介质、稳态实体与瞬态流固热耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏流动特性实验装置,在实验验证数值方法准确性基础上,对比分析了3种数值方法的差异性,研究了刷式密封流动传热特性,揭示了刷式密封的封严与传热机理。研究结果表明:在研究工况下,刷式密封多孔介质、稳态实体、瞬态流固热耦合模型泄漏量计算值与实验值的对比误差分别为9.8%~17.1%、8.1%~10%、6.92%~9.01%。刷式密封多孔介质模型计算速度较快,但需通过实验修正孔隙率,湍流模型对稳态实体模型流动传热特性结果影响较大,瞬态流固热耦合模型考虑了流场、刷丝及摩擦热三者间相互耦合作用,计算精度较高,但所需计算时间较长;同一压比下刷丝束温度从上游至下游逐渐增加,刷丝束最高温度随压比的增加而增大。气流流经刷丝间隙形成的节流效应致使泄漏气流能量耗散是刷式密封封严的主要原因,泄漏气流与刷丝表面间的对流换热是刷式密封摩擦热耗散的主要形式。      

层板结构冷却有效性的研究

基于一维多孔材料内传热理论,建立层板冷却的理论模型,应用由实验获得的各种层板结构的流阻和换热特性,由层板两侧的压差估算通过层板的冷气流量和层板结构的冷却有效性。对影响层板冷却有效性的因素进行分析,为层板的设计起到指导作用。在相同吹风比下,双层层板要比单层层板冷却有效性高,而三层层板与双层层板之间的差别不大。通过与传统气膜冷却方式的比较,可以发现,层板冷却具有以较少的空气达到较高的冷却效果的巨大潜力。      

泵驱动相变冷却系统中储液器压力响应特性

储液器作为泵驱动两相冷却系统的关键设备,其响应特性将直接影响系统的运行效果.通过储液器压力特性在泵启动过程、热源启动过程和系统稳定运行过程之间响应关系的实验研究和理论分析,结果表明在机械泵启动阶段,由于工质R134a的物理特性和和齿轮泵的工作特性,储液器压力越低,系统启动越稳定.储液器压力的变化,对热源启动过程影响较小,热源启动稳定.在稳定运行阶段,储液器压力越低,蒸发器出口温度波动越大.      

双层壁冷却结构中多排射流冲击冷却的换热和流阻特性

采用稳态热敏液晶技术对双层壁冷却结构中的多排（包括顺排和叉排）射流冲击冷却结构进行了风洞实验,同时结合数值模拟的方法,对两种射流冲击冷却结构的传热和流阻特性的差异进行了研究。实验结果表明:流量系数和冲击靶板上的努塞尔数均随着雷诺数的增大而增大,而冲击孔的排布方式对面平均努塞尔数的影响较小,但是叉排结构的流量系数高于顺排结构,且冲击靶板上换热更加均匀。数值结果显示冲击靶板中心区域的流量分配和换热均随着冲击距离的增大而增大;而在下游区域内恰好与之相反。      

冲击双层壁内通道表面换热系数的研究

为了研究双层壁内通道表面换热情况和冲击距离对换热影响,对双层壁结构内通道上、下表面的换热系数进行实验测量。由获得的换热系数来分析研究双层壁内部换热。并对冲击射流的机理作了分析。研究结果表明,在双层壁结构中,在高雷诺数时,在冲击板表面上会出现两个峰值;在进气板表面上也会出现位置随冲击高度变化的一高换热区;层板内通道表面上的换热系数随冲击距离的减小而增大。