内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.      

Critical Conditions of Thermal Explosion Considering Space-Temporal Nonlocality

The equation for locally non-equilibrium heat exchange with nonlinear internal heat source was obtained by using Fourier’s law formula with the relaxation of heat flux and temperature gradient. The thermal conductivity problem for the infinite plate was studied by the numerical method at nonsymmetrical boundary conditions of the third kind. The conclusion was made that the thermal explosion delay time considerably increased as compared to the case of neglecting the space-temporal nonlocality.     

金属蜂窝夹芯面板有效导热系数的数值计算

对具有漫灰体内壁的金属蜂窝夹芯面板,忽略蜂窝内腔的空气导热,综合考虑蜂窝结构的热传导和热辐射等热传递过程,利用有限元方法求解了周期性分布的蜂窝单胞稳态热传导控制方程,蜂窝内壁的边界条件是由净热量法得到的热辐射换热积分方程,由胞元的温度场分布数据及Fourier定律得到了蜂窝结构的有效导热系数。与现有文献相比,采用了较少近似的模型及较高精度的离散方法,计算结果表明计算模型及方法是可靠有效的。     

碳/碳复合材料导热性能的研究

对碳/碳复合材料在不同温度下的导热性能进行了研究。研究发现了碳/碳复合材料的导热机理介于金属材料和非金属材料之间,既有声子导热,又有电子导热。在实验温度范围内,导热系数随温度升高而增大。随碳/碳复合材料石墨化程度的增大,晶体微观结构渐趋完整,石墨片层的有序度增加,材料的导热性能增强。对于高密度的碳/碳复合材料,因为晶粒间联通状态良好,热传导载体运动的路径畅通,所以导热系数高。碳纤维及围绕纤维生长的热解碳是热传导的有效通道,所以沿纤维增强方向的导热系数高。     

航空煤油RP-3结焦产物的物性

在环境温度为800K和900K条件下,获取RP-3航空煤油结焦产物,通过试验获得表观形貌及物性,拟合了结焦产物的比热容和导热系数随温度变化的经验关系式。结果表明:航空煤油结焦产物的微观结构为球状颗粒堆积且表面存在可见孔隙,表观密度约为1 049kg/m~3,真密度约为1 498kg/m~3,孔隙率约为29.9%,环境温度为800K下生成的油焦真密度较900K下生成的小;通过闪光法测得油焦比热容约为1.1~2.2J/(g·K),导热系数约为0.19~0.28W/(m·K),比热容和导热系数均随着温度的升高而增加,环境温度为800K下生成的油焦比热容和导热系数较在900K条件下生成的略大。     

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。     

三维内外热耦合计算热气防冰系统表面温度

提出了一种三维内外强固传热耦合计算热气防冰系统表面温度的方法并进行算例计算.外部表面传热系数计算采用附面层积分方法,内部热气流动与换热采用CFD(计算流体动力学)方法,利用FLU-ENT的用户自定义函数UDFs(user-defined functions)实现蒙皮外表面热载荷计算及热流边界条件的自动加载,使迭代自动推进.对表面温度及外部热载荷进行亚松弛来稳定迭代计算,用强固传热耦合迭代来加快计算速度.所研究的三维热气防冰系统表面温度计算新方法可应用于防冰系统的热性能验证及系统优化.      

Thermal performance of a 3D printed lattice-structure heat sink packaging phase change material

Thermal storage technology is becoming more and more significant with the increase of high-power equipment in space applications. In this paper, 3D printing technology and Phase Change Material (PCM) were combined into a Thermal Energy Storage (TES) system, which could fulfill the requirements of light weight and high thermal conductivity. A 3D-printed lattice-structure TES plate with N-tetradecane as the PCM and aluminum alloy as the thermal conductivity enhancer was manufactured, and experimentally tested in a thermal vacuum chamber. In addition, a simplified simulation model of the lattice cell was established to clearly analyze the heat transfer process of the TES plate. The effects of initial temperature distribution and heat load gradient on the thermal storage performances were investigated experimentally and theoretically. The equivalent thermal conductivity of the 3D-printed lattice-structure TES plate turns out to be 13 times of the pure PCM thanks to the aluminum skeleton. The heat transfer enhancement appears at the end of the phase change stage due to the sudden mixture of the PCM with different temperature. The simulation results agree well with the experimental data. The equivalent thermal conductivity obtained by the phase change simulations are a little higher than those of the experiments, which is mainly caused by the initial uneven temperature distribution in the tests. Additionally, the effects of non-uniform heat load and the presence of the PCM in the TES plate are studied. This work successfully validates the feasibility and effectiveness of 3D printing technology and TES technology for the temperature control in space applications.     

容器热物性参数对蓄热系统性能影响的数值研究

建立了分析潜热蓄热系统蓄热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.其中考虑了容器壁面的导热,且相变传热只考虑导热模型,对相变材料(PCM)相变过程的求解采用解耦法计算模型.对几种不同材料容器内PCM熔化过程进行了数值计算比较,结果表明,容器材料的导热系数、比热容和密度等热物性参数对PCM的熔化有很大的影响.此外还对不同初始温度和边界壁温对PCM熔化的影响进行了数值计算.所得结论对潜热蓄热系统的热性能及其优化设计有一定的指导作用.      

自由液体射流冲击高速旋转圆盘的耦合换热

为了研究自由液体射流冲击均匀加热高速旋转圆盘的耦合换热特性，采用数值模拟方法对比分析了固体和流体材料参数对流动及换热的影响。结果表明：不同固体材料参数对应的努塞尔数分布规律相似，同一半径位置处的努塞尔数最大相对偏差不大于10%。与径向温度分布相比，轴向温度差受固体材料导热系数变化的影响更大，铜和泡沫砖的径向最大温差仅相差3倍，而与导热系数近似呈反比的最大轴向温差相差达3 471倍。圆盘表面液膜平均径向流速和换热性能随流体黏度的增加而下降。黏度较小的氨和水对应的二次峰值换热强度较一次峰值的增加量超过了15%，黏度较高油类的二次峰值换热强度仅为一次峰值的50%～60%。射流介质采用黏度较小的水和氨时，盘面温度几乎保持不变，最大温差比小于7.86×10^-4；黏度较大的油类作为射流介质时在驻点附近的温度变化剧烈，当R/d超过2.5后，温度分布仅有小幅的波动。     

航空煤油替代燃料模型热物性

研究基于国产航空煤油RP-3液相组分数据,提出了单组分、简化3组分和详细13组分3种替代燃料模型,并对采用3组分替代模型计算得到的燃料密度、黏度、导热率、比热容4个热物性参数进行了在不同温度(300~1000K)和压力(1~15MPa)状态下的分析.结果表明,燃料的物性在超临界压力下,随着温度升高,密度减小,黏性降低,热导率则先降后增,而比热容逐渐增大,同时,在拟临界温度附近,燃料热物性均发生变化剧烈,比热容在不同压力下对应不同峰值点,在3MPa下最大;压力的变化会使得拟临界温度发生改变,给密度的变化程度、比热容的峰值分布和热导率的大小带来一定的影响.采用3组分替代模型预测燃料热沉,经实验验证,其物理热沉吻合较好.      

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

涡轮叶片气热耦合数值模拟方法

研究了气热耦合计算模型,建立了采用有限差分方法进行涡轮气热耦合计算的数值仿真平台,并利用该平台采用考虑转捩和不考虑转捩两类湍流模型对具有径向冷却通道的MARK II型叶片进行数值模拟,同时将结果与实验值进行比较,对比表明:考虑转捩的湍流模型能够准确的反映出边界层内的流态和热传导情况,因此壁面处温度和换热系数更接近于实验值,与实验值吻合较好。     

翅片-泡沫铜复合结构的导热增强作用

由于翅片能够极大提高沿翅片伸展方向的导热能力,因此为满足一些航空大功率元件的散热要求,提出采用翅片-泡沫铜复合结构作为导热增强介质的概念.制作了翅片厚度分别为0.5,0.8mm和1.0mm的翅片-泡沫铜/石蜡实验件.通过瞬态和稳态的方法对实验件的热特性进行了测试,结果表明添加1.0mm翅片后复合材料的等效导热系数达到11.4W/(m·K),分别为泡沫铜/石蜡和纯石蜡的3.7倍和42.2倍;在相同热流密度下,采用翅片的装置热源与散热面的最大温差相对于未采用翅片的装置降低了73.2%~90.0%.实验证明翅片能够显著提高泡沫铜/石蜡的等效导热系数和动态热响应速度.根据实验结果提出了适用于翅片-泡沫铜/石蜡相变过程的无量纲数关联式.      

基于高温瞬态热响应的石英窗口导热系数反演

提出一种利用高温加热下瞬态热响应信息来同时反演石英窗口在不同温度下导热系数的方法。结合实验测试过程,首先建立石英窗口-石墨板-石英窗口三明治结构高温非灰体辐射-导热耦合传热模型。再通过实际测试温度响应结果和材料光谱辐射特性参数,构建石英窗口导热系数的遗传算法反演辨识模型。采用1 100 K加热条件下实验数据,反演辨识获得了常温至1 100 K石英窗口导热系数介于1.35~2.58 $\mathrm{W}/(\mathrm{m}?\mathrm{K})$,并拟合出高温导热系数关联式。结果表明:该材料辐射对导热系数影响随温度升高而增大,在1 100 K下辐射影响占比16.12%。最终通过变工况的高温传热过程测试,验证了方法的可靠性及导热系数数据的准确性。      

高温空气传输特性对边界层稳定性及转捩预测的影响

为了研究黏度和导热系数对边界层内基本流和流动稳定性的影响,首先通过分析比较Sutherland公式和目前常用的Gupta等人的拟合关系式,建立了高温气体下黏度和导热系数的计算模型,并分别将Sutherland公式和新建立的计算模型应用于7组元化学平衡流的平板模型,在马赫数为10,16和20,飞行高度为30-5km等条件下分别对黏度和导热系数的模型进行比较.计算结果表明:在高温范围内,黏度和导热系数均影响着边界层的基本流、流动稳定性及转捩预测,且两者影响的趋势相反,黏度的增加、导热系数的减小都能使扰动的增长率变大,增长区变宽,转捩位置提前.      

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时,材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征,以2.5D编织结构复合材料为例,分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型,计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征,同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律,并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比,基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征,当平板内部平均温度梯度为25383K/m时,表面温度波动幅值达到12.41K,表面最高温度由906.96K增加到911.60K,并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时,随着纱线编织角度的增加,材料表面温度波动幅值下降,但表面的高温区域增加,沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加,材料表面的高温区域基本不变,温度波动幅值小幅下降,均匀性增强;随着纤维束与基体导热系数比的增加,材料表面的高温区域增加,温度波动幅值降幅较大,均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内,当边界温度达到1600K时,基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

Effect of Sintering on Thermal Conductivity and Thermal Barrier Effects of Thermal Barrier Coatings

Thermal barrier coatings (TBCs) are mostly applied to hot components of advanced turbine engines to insulate the components from hot gas. The effect of sintering on thermal conductivity and thermal barrier effects of conventional plasma sprayed and nanostructured yttria stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) are investigated. Remarkable increase in thermal conductivity occurs to both typical coatings after heat treatment. The change of porosity is just the opposite. The grain size of the nanostructured zirconia coating increases more drastically with annealing time compared to that of the conventional plasma sprayed coating, which indicates that coating sintering makes more contributions to the thermal conductivity of the nanostructured coating than that of the conventional coating. Thermal barrier effect tests using temperature difference technique are performed on both coatings. The thermal barrier effects decrease with the increase of thermal conductivity after heat treatment and the decline seems more drastic in low thermal conductivity range. The decline in thermal barrier effects is about 80 °C for nanostructured coating after 100 h heat treatment, while the conventional coating reduces by less than 60 °C compared to the as-sprayed coating.     

涂层材料瞬态传热实验与导热系数辨识

针对涂层-基体一体化的双层结构,为测试评估其中涂层材料的导热性能,提出基于瞬态平面热源法（transient plane source, TPS）的涂层材料导热系数反演辨识方法。根据Hot-Disk实验测试原理,建立基体-涂层-探头整体的二维非稳态传热模型;结合测量过程中的瞬时温升数据信息,采用粒子群优化算法反演辨识获得涂层材料的导热系数;并通过实验和数值模拟论证了上述方法的可靠性。结果表明：该测量方法能够有效获得涂层导热系数,测试反演的数值偏差小于4.0%。最后,实际测量和反演辨识获得了一种涂层材料常温至773 K的导热系数,随温度提高呈现增大趋势,数值范围为0.18～0.29 W/(m·K)。     

求半透明材料导热系数的复合换热反问题

在激光脉冲法测不透明材料导热系数的基础上,本文提出了一种已知半透明材料辐射特性,求其导热系数的复合换热反问题方法。