封闭式喷雾冷却传热特性的实验与理论研究

喷雾冷却是一种高效的高密度热流散热方式,在空间热控领域具有重要的应用前景。本文基于液膜动力学、气泡动力学和传热学的基本原理,建立了描述喷雾冷却传热特性的理论模型,模型分析结果和实验结果吻合良好;利用实验研究和模型模拟相结合的方法,对以水作为工质的封闭喷雾冷却系统的加热面温度分布、冷却曲线等特性进行了分析,分析结果显示,在封闭式喷雾冷却系统中,被冷却表面也仍然存在着温度分布的不均匀性,但是其最大温差小于5℃;由于喷雾腔内压力较低,喷雾曲线基本上处于两相区内,其换热能力远远高于常压下的换热能力。     

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。     

重力对载人航天器密封舱内空气对流换热影响的数值分析

地面重力环境中进行航天器密封舱内空气通风换热试验时,由于自然对流的存在导致换热量和温度分布与空间微重力环境中的情况存在偏差。文章针对航天器密封舱,建立了舱内空气对流换热的数值模型,利用数值模拟软件对有无重力时典型工况下的对流换热进行了数值模拟及模拟结果的对比分析。分析表明重力对壁面换热量的影响较大,而对空气温度及分布的影响较小;且重力的影响随空气与壁面温差的增大而增大,随通风流量的增大而减小,舱间通风也会减小重力的影响。因此在重力环境中进行试验时需要对壁面换热量进行修正。     

基于FDS的微重力条件下密闭舱细水雾灭火过程仿真分析

文章应用火灾动力学软件(FDS)对微重力条件下载人航天器密闭舱细水雾灭火过程进行仿真分析,得到了电缆火灾扑灭过程中舱内温度和CO的分布规律。结果表明,一定倾斜角度喷射细水雾不但会促进烟雾的扩散,还会为燃烧增加新鲜空气,使扑灭过程趋于困难。分析认为,微重力环境中的细水雾灭火器喷雾粒径应控制在100~150μm,且使用时应使喷雾方向与火灾面尽量趋于垂直。     

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。     

不同重力环境下空间机构电机驱动力差异

为了分析空间机构在不同重力环境中的驱动力差异,以单关节机械臂为研究对象,进行不同重力环境下直流电机驱动力差异分析。首先基于拉格朗日方程推导出单关节机械臂的动力学模型,为分析不同重力环境下,负载、摩擦和转速的变化对电机驱动力的影响,通过设计一套基于单关节驱动的机械臂试验装置,进行地面重力环境、地面模拟微重力环境和落塔微重力环境试验。然后基于试验数据详细分析了不同重力环境下空间机构电机驱动电流的差异,并基于试验数据对电机动力学方程中的摩擦参数进行辨识,从而获得基于试验数据修正的机械臂动力学仿真模型,为空间机构动力学设计与应用提供理论与试验依据。     

平行微细通道内流动沸腾换热的重力无关性研究

为验证微细通道内流动沸腾散热技术在空间的适用性,用实验方法研究了平行微细通道内流动沸腾换热的重力无关性。搭建了两相流体回路系统,设计了水力直径0.91mm、倒梯形截面的平行微细通道铜基热沉,通过电火花腐蚀技术在铜基加热器表面刻蚀制作微细通道,两者集成一体。由实验分析了-90°~90°不同重力倾角下微通道内的流动沸腾特性。结果发现:不同流量下不同重力倾角的微细通道的沸腾曲线基本吻合,临界热流值基本一致,表明微通道不仅强化换热能力,而且削弱了重力对沸腾换热的影响。实验结果处于文献中Bo准则和Fr准则的重力无关性区域内,验证了微细通道内流动沸腾换热具一定程度的重力无关特性,地面上测得的微通道内流动沸腾换热系数和临界热流等实验数据能安全有效用于空间环境的热控设计。     

微重力条件下两相流动沸腾换热地面等效模拟试验研究的必要性

介绍了航天器的热控制模式、对在微重力下的单相流与两相流的换热系统、微重力下与重力场下的两相流沸腾换热进行了比较。最后论述了在微重力条件下进行两相流沸腾换热地面等效试验研究的必要性。     

预旋结构对空间布雷顿循环涡轮盘表面换热特性的影响

针对空间核动力航天器涡轮盘表面温度过高和温度梯度较大的情况，提出了一种预旋涡轮盘冷却结构。采用数值模拟的方法对比分析了有无预旋2种冷却结构下的涡轮盘表面换热特性，研究了旋转雷诺数对换热效果的影响。计算结果表明:与无预旋结构相比，预旋结构可以有效地提高氦氙冷却气流与涡轮盘的对流换热系数，降低其表面最高温度和温度梯度，最高温降可达63.1 K。随着旋转雷诺数增大，涡轮盘表面最高温度降低，轮盘表面平均换热系数增大，采用预旋结构的表面平均换热系数比无预旋结构增大13.4%。     

在地面上用磁性液体制造流体的超重、失重和微重力环境

磁力和重力均为非接触的力，当作用于磁性液体上的磁力和重力方向相同时，磁性液体处于超重状态；当作用于磁性液体上的磁力和重力方向相反时，磁性液体处于失重状态；当作用于磁性液体上磁力和重力相互抵消，磁性液体呈饱和磁化状态且处在均匀梯度磁场区域中时，磁性液体被表面张力约束成球体，磁性液体处于微重力状态。这一发现使我们在地面上能经济的、方便的、长时间的制造流体的小区域微重力环境，为研究微重力状态下的流体科学、生命科学，材料加工和器件开发等提供了新的方法。     

一种紧凑式喷雾冷却系统的传热特性仿真分析

喷雾冷却被认为是一种潜在的航天器热排散技术。文章提出了一种紧凑式喷雾冷却系统,并分别对该喷雾冷却系统中的发热壁面、蒸汽冷凝器及液体冷却器三个主要部件建立传热模型,编制喷雾冷却系统传热特性仿真程序。利用该仿真软件,研究了壁面加热升温过程的系统运行特性及蒸汽冷凝器冷凝水流量对喷雾冷却系统运行特性的影响。该工作对理解喷雾冷却的系统运行特性及下一步的工程应用奠定了一定的理论基础。     

航天器热传输技术研究进展

文章对航天器用热传输技术近期的发展进行了汇总,主要包括：导热材料、微小型热管、槽道热管、泵驱动两相流体回路、深冷环路热管、喷雾冷却系统以及基于MEMS技术的微型热传输技术。这些新技术是航天器高热流密度散热、大功率热传输、分散点热源散热及深低温热传输未来主要的解决途径,可供航天器热控研究及设计者参考。     

小推力发动机膜冷却工程算法研究

为满足工程上对推力室内部传热流动分析的要求,应用分层流动理论,结合半经验传热和化学反应平衡模型,建立了分析小型液体火箭发动机推力室膜冷却的传热模型。以气氧/煤油发动机为例,初步实现了对定常情况下膜冷却过程的模拟。计算表明,冷却剂的质量分数,燃气的流动状态,喷注器尺寸等因素对冷却效果和发动机总体性能有重要影响。研究结果可为新一代小型液体火箭发动机的研制提供参考。     

微重力条件下固液相变过程空穴移动特性研究

为了解微重力条件下固液相变传热过程中空穴的移动特性,建立了一种基于温度排序算法的空穴模型,研究了空穴在不同初始位置的移动过程。结果表明,不同初始位置的空穴均沿着热流的反方向移动,在相同热边界条件下空穴的最终位置与初始位置无关。     

推力室多孔面板氢发汗冷却传热分析

为了研究氢氧火箭发动机推力室喷注器多孔面板的发汗冷却特性,采用一维非热平衡能量方程模型对其进行了数值传热计算,计算模型考虑了冷却剂氢的变物性和多孔结构内固体与流体之间的对流换特征。分析总结了多孔结构固体导热率、孔隙率、颗粒特征直径和燃烧室热流密度等因素对多孔面板发汗冷却的影响。研究结果表明,选择较高导热率的多孔面板制造材料能够降低燃气侧面板温度和减小面板温度梯度;孔隙率一般在0.1～0.2为宜;随着颗粒特征直径增大冷却剂与多孔结构固体之间的换热能力明显下降,燃气侧面板温度呈先降低后升高的趋势。     

低温流体闪蒸喷雾研究

为了研究低温流体闪蒸喷雾特性,建立了低温流体闪蒸计算模型,并通过试验进行了验证。在欧拉-拉格朗日框架下采用CFD-DPM方法模拟了闪蒸过程的气-液两相流场。研究表明,在闪蒸喷雾形态和温度分布特性方面,数值模拟与试验结果吻合。低温流体喷入低压环境后,在喷嘴出口附近便发生剧烈的闪蒸现象,呈现出巨大的喷雾角,并且喷雾温度急剧下降至环境压力对应的饱和温度;在喷嘴出口附近区域(x/d～40),过热闪蒸占据绝对主导地位,其蒸发速率高出其他换热2个数量级,随着喷雾液滴运动至流场下游,对流换热与热传导逐渐占据主导地位。闪蒸带来的强烈换热导致喷嘴附近可能会发生复杂的气-液-固相变,将会对发动机高空可靠点火带来风险。     

人工粗糙度对矩形弯曲管道流动与传热数值模拟

人工粗糙度作为一种局部强化换热技术,对提高再生冷却效率有重要意义。为了研究人工粗糙度对矩形冷却通道三维流动与传热特性的影响,以及在弯曲段与二次流的耦合作用,对有人工粗糙度的三维弯曲矩形通道进行了建模,并应用Fluent软件进行了数值仿真计算,采用了能够有效准确地求解受强曲率影响的管道内及近壁区域湍流流动的RNG k-ε湍流模型。结果表明:在冷却通道底面添加人工粗糙度会使底部流动受到干扰进而导致流速中心上移,因此在弯曲段,有人工粗糙度的冷却通道中所产生迪恩涡的范围相对较小且距离底面较远,而随着二次流的产生,流速中心会向底部移动,使得该处的换热得到改善,整体对流传热系数上升;当入口质量流量分别为0.1 kg/s,0.2 kg/s,0.3 kg/s时,有人工粗糙度工况下弯曲段加热面平均对流传热系数分别增加了11.86%,13.11%,16.14%,表明添加人工粗糙度可以显著提高换热,且随着入口质量流量的增加其对换热的提高作用也变得越来越明显。     

膜冷却推力室传热计算研究

介绍了推力室液膜冷却机理,并对膜冷却相关研究进行了综述,在总结已有研究成果的基础上建立了一套液膜冷却推力室传热计算模型,采用该模型对某液膜冷却推力室进行了传热计算,地面试车测量值与壁温计算值基本一致。