烧结双多孔介质中沸腾换热的实验研究

对由铜粉烧结而成的三种双多孔介质结构进行了沸腾换热的实验。为了便于比较，同时对两种单多孔介质进行了沸腾换热实验。结果发现：当双多孔介质的微孔径和单多孔介质的孔径相同时，双多孔介质的换热系数和临界热流密度比单多孔介质高得多；对于同样微孔径的双多孔介质，存在最佳的粗孔径，其换热系数和临界热流密度最大；当逆静水压头减小的时候，换热系数和临界热流密度增加。     

微重力下两相流动沸腾换热综述

对国外在微重力下两相流动沸腾换热的研究情况和几种有关理论进行了综述。介绍了微重力下两相流动沸腾换热机理和流动沸腾传热模型，然后对ＴＥＭＰ２Ａ－３沸腾的地面与空间试验作了比较，并首次用Ｃｈｅｎ氏公式进行了验证，得出Ｃｈｅｎ氏公式在该流态模型下与重力无关，进而可推广到在失重情况下的应用。     

高温燃气流超声速风洞扩压器热防护设计

为实现高热流环境下高温燃气流超声速风洞系统的重复使用,采用数值方法对扩压器热环境进行了分析,采用沸腾换热方法对扩压器进行了热防护设计,并通过试验验证了沸腾换热理论应用的可行性。结果表明,沸腾换热在水流速2m/s的情况下可实现热流2MW/m 2的热防护,应用沸腾换热可以有效降低设计难度,在较低的速度和压力损失下达到更好的换热效果。     

沸腾换热在水卡式大热流传感器研制中的应用

为了实现MW级热流环境的长时间稳态测量,研制了一种新型结构的水卡式大热流传感器。该传感器采用U型水冷通道结构,基于沸腾换热理论进行换热设计,设计量程5~15 MW/m~2。在高温超声速燃气流试验台上进行了热流测试试验,实际测试量程3~25 MW/m~2。沸腾换热理论的应用可以在较小的水流速下实现MW级热防护,大大降低了设计难度。新型结构传感器相对传统的中心冲击结构换热效率更高,可实现的量程范围更大。     

高热流散热泵驱两相流体回路设计及飞行验证

针对激光、雷达等载荷空间应用中存在的超过100 W/cm~2高热流密度散热问题,采用泵驱两相流体回路结合金刚石微槽道的方法实现了271 W/cm~2热流密度的散热。对系统设计及关键部件设计进行了研究,整个系统经过地面和在轨飞行验证,运行平稳。利用储液器控温的方式,实现了系统温度的准确控制。测试结果表明,地面和在轨飞行期间的换热及流阻相当,验证了重力无关设计的正确性。     

航天器对流换热地面降压模拟的临界压力准则

航天器密封舱在地面模拟试验中常通过降压法抑制自然对流的影响,但降压比的选择 往往缺乏定量准则,这使得自然对流的抑制效果得不到保证。使用数值模拟方法确定临 界压力比,以几种典型航天器密封舱内的流动换热情况为例,分析了不同Gr／Re 2 数和压力比下密封舱内的流动换热情况。得到了舱内气体温度分布和对流换热系数。通 过比较空间情况和地面情况的计算结果,分析了自然对流给流动换热带来的影响,给出了判 断临界压力的准则式,并给出了临界Gr／Re 2数。结果表明：临界压力 的准则关系和密封舱的形状和内部结构无关。
     

倾角对含油工质冷凝换热影响的实验研究

随着航天器热控制的发展,蒸气压缩热泵排热系统等热控方式逐渐受到人们的重视,其中冷凝换热对热泵的性能好坏有重要的影响。为了研究重力场对冷凝换热的影响,将紫铜直管冷凝器置于蒸气压缩热泵系统中,通过改变重力场与流动方向的夹角,测量得到了不同倾角下的冷凝换热系数和压降。实验结果表明,倾角对直管内冷凝换热系数的影响较大,不同倾角下的换热系数差别达30%,远大于不同倾角对直管内蒸发换热的影响;压缩机润滑油对冷凝换热的影响也很大,相比较无润滑油冷凝换热系数低30%以上。随着质量流量的增加,压缩机润滑油的影响逐渐减弱。
     

航天器高热流射流冷却技术研究综述

基于航天器高热流密度散热的需求,综述了国内外近年单孔和阵列受限式浸没射流技术的研究进展。阐明了射流结构和试验工况等因素对单相/两相换热及流动性能的影响,列出了射流冷却实验研究的条件和结果,分析了换热机理和影响规律。给出了单/多微小通道、冲击表面处理等射流冷却强化结构的研究结果,概括了微通道、肋片和微纳涂层等表面结构对射流冲击换热的原理和强化效果。     

分级歧管微通道阵列散热器流动与散热特性研究

针对航天器通信、激光、雷达等高功率载荷关键部件面临的高热流密度散热难题,开展分级歧管微通道阵列散热器研究。通过歧管结构引入射流效应并缩短散热通道长度,在保证高效散热的同时降低流动阻力。在10 mm×10 mm的硅芯片上使用微机电系统(MEMS)工艺加工3×3阵列的微通道散热器,散热器中微通道宽度为40μm,深度分别为40μm,150μm,300μm。搭建试验装置并研究散热器的流动与散热特性,通过改变入口流率、通道深度及工质种类获得不同参数对歧管微通道散热器内单相流动和散热性能(即压降、温度分布及换热系数)的影响,并在压降小于40 kPa的条件下实现了超过平均450 W/m~2的散热能力。文章的研究成果可用于航天器高功率载荷的高效散热。     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

低温推进剂管路预冷沸腾换热特性研究综述

为探究低温推进剂预冷管路过程中非稳态两相流动与换热特性,通过文献调研与对比分析,综述了该领域研究进展。分类总结了影响预冷沸腾的主要因素,梳理了数值模拟研究结果,探讨了现有流动沸腾关联式对低温推进剂预冷沸腾过程的适用性,并整理了微重力下低温流体预冷沸腾相关实验研究。研究表明:1)低温流体预冷沸腾可用典型沸腾曲线逆向描述,换热特性与两相流型分布与常温流体流动沸腾相比存在一定差异;2)质量流速、流动方向、工质物性等是预冷沸腾过程流动与换热特性的主要影响因素;3)传统流动沸腾换热关联式不适用于低温流体预冷沸腾换热研究,需进一步拟合低温流体预冷过程关联式。通过梳理低温流体预冷沸腾理论研究和实验进展,提出了开展相关研究的思路与方向,以期为低温推进剂的安全高效加注提供参考和理论依据。     

超临界压力下航空煤油RP-3在水平细圆管内对流换热特性实验研究

为探究超临界压力下碳氢燃料在水平管内的对流换热规律,文章针对超临界条件下航空煤油RP-3在水平细圆管内的对流换热,分析了热流密度、进口雷诺数及浮升力对对流换热的影响。研究表明:沿流动方向,管内表面传热系数随热流密度的增大先减小后增大;在低进口温度及低进口雷诺数情况下,管内换热均出现先恶化后强化的现象,而随着进口温度和雷诺数的增加,此现象消失;浮升力对换热的影响随热流密度的增加而增加;浮升力对下表面换热的加强使得入口效应的影响在下表面先于上表面结束;受浮升力影响,上下壁最大温差可达50 K;质量流速的增加会抑制浮升力对换热的影响;准则数Grq/Grth可以很好地反映浮升力的变化趋势。以上研究结果可为采用碳氢燃料作冷却介质的各类飞行器主动热防护技术方案提供技术支撑。     

HFC134a喷雾闪蒸冷却换热特性的实验研究

喷雾闪蒸冷却由于可以在较小的工质流量下实现很高的散热能力,在高热流密度散热、航天器热控和热防护等领域具有广阔的应用前景。本文建立了喷雾闪蒸冷却实验系统,对环境压力下以HFC134a为工质的喷雾闪蒸冷却换热特性进行了实验研究,得出了喷雾闪蒸冷却的换热特性曲线、临界热流密度(critical heat flux,CHF)以及被冷却表面温度随喷雾高度和流量的变化曲线,分析了适用于热控的最佳喷雾高度和流量。     

蜂窝板预埋管路辐射器流动散热特性仿真

为解决传统数值方法对辐射器对流换热系数评估困难、流动散热性能预测精度不高的问题,明晰工况参数与重力对辐射器流动散热特性影响规律,指导辐射器轻量化设计与地面试验,构建辐射器导热-对流-辐射耦合传热等比仿真模型,评估其与经验公式对辐射器水动力及热特性预测可靠性,分析流量、入口温度、吸收外热流及重力对辐射器工作特性影响规律。结果表明:辐射器压降及散热功率模拟值与真空热试验数据最大相对误差为3.45%和2.86%,压降及换热系数经验公式预测值与仿真值最大相对误差为-10.15%和-33.18%;辐射器散热功率随流量与入口温度的增加而增大,吸收外热流增加会降低对流换热热流量,相较零重力,常重力水平状态辐射器散热功率提高2.86%。所建模型可准确预测辐射器工作特性;辐射器设计应在满足压降与出口温度指标要求时,提高流量与入口温度,地面试验辐射器应竖直放置。     

未来航天器高功率密度载荷的热控制技术

针对未来航天器中将出现的高功率密度有效载荷的热控制，综述并分析了两种最有前景的高热流密度热控技术：喷雾冷却技术和微小通道流动沸腾冷却技术，提出这两种新技术研发急需开展的基础研究内容和工程化过程需要解决的问题。     

预冷发动机氢氦PCHE通道换热与热应力数值分析

基于高超声速预冷发动机闭式氦布雷顿循环中印刷电路板换热器(PCHE)的应用,对PCHE氢氦通道的热固耦合特性进行了数值研究,着重阐述了热侧氦参数对换热的影响机制。探究了热侧壁温和换热系数的变化特征及其对冷侧换热的影响。考察了通道截面温度和湍动能的分布情况。通过熵产和综合换热系数评价了PCHE通道的性能,进行了通道热应力分析,建立了热侧和冷侧换热关联式(误差在±15以内)。结果表明:热侧压力对换热仅有微弱影响;热侧流量提高对热侧和冷侧换热均有增强作用。热侧进口温度下降导致热侧和冷侧换热减弱;热侧进口温度提高造成通道熵产显著增加,热侧流量增加造成通道熵产显著减小;高热应力出现在冷热流道之间和壁面两侧,局部最大热应力达到25 MPa。     

超重力条件下水平圆管内超临界正癸烷换热研究

为深入理解超重力下飞行器发动机的热管理问题,进行了水平通道中正癸烷的超临界换热数值研究.探究了拟膜态层换热机理,考察了热传导过程、二次流效应及其对管周向非均匀传热恶化的作用机制,提出了周向最大换热差别预测模型.建立了水平管的浮升力准则.研究发现:重力加速度增大致使流体域密度异常分层加剧,周向不平衡动能增加,二次流增强;...     

主喷管倾角影响塞式喷管性能的实验研究

为分析主喷管角度对塞式喷管性能的影响,对两种塞式喷管实验发动机进行了热试和冷流试验。试验结果表明,主喷管倾角对发动机喷管效率、底部压强与燃烧室压强之比的影响明显,且存在一个性能最优的最佳倾角。热试和冷流实验发动机主喷管倾角为20°时,喷管效率最高。     

空气预冷发动机及微小通道流动传热研究综述

首先针对发动机空气预冷系统的特点,将现有的预冷机制分为四种类型,包括燃料预冷、质量喷注预压缩冷却、燃料预冷和质量喷注预压缩冷却组合预冷以及其他流体预冷,并分别介绍了每种预冷机制的代表性发动机循环以及技术特点。调研发现,微小通道结构的预冷器具有很高的散热能力和紧凑度,优势显著。英国Skylon空天飞机的预冷却组合循环发动机（SABRE）其微通道结构预冷器具有极高换热能力。对SABRE的预冷器及相关研究进行详细分析,强调微小通道强化换热对提高发动机性能的重要作用。通过对微小通道中单相气态流动换热研究的调研发现,微尺度流动传热机理仍存在诸多分歧,理论发展不完善,需要深入开展微小通道强化传热研究,尤其对于高速高内外温差条件下微小尺度复杂结构空间内流动传热机理需要深入探索。     

人为粗糙度强化换热机理分析及效果评估

对推力室冷却通道内的人为粗糙度强化换热机理进行了分析,讨论了影响人为粗糙度强化换热的因素。对有、无人为粗糙度的平直冷却通道内流动进行了对比数值模拟,并以某特定发动机推力室为例,初步评估了人为粗糙度的强化换热效果。计算和分析表明：在推力室喉部附近设置人为粗糙度,可使推力室气壁温平均下降约43℃,在冷却通道内合理地设置人为粗糙度有利于高室压可重复使用发动机推力室的热防护。