含相变材料热防护结构一体化设计与试验

利用相变材料储热密度大、比热容高等优势,设计了一种含相变材料的新型一体化热防护结构(PCM-ITPS),并通过数值计算分析了其隔热特性。结果表明,在一体化热防护结构底板处铺设相变材料可吸收热短路效应导入的过量热载,改善结构的隔热性能。然后设计并制备PCM-ITPS试验件,通过隔热性能测试试验对结构隔热特性进行验证。在此基础上进行热应力分析验证其承载性能,并以结构参数为设计变量,隔热和承载性能要求为约束条件,实现了PCM-ITPS结构的轻量化设计,优化后PCM-ITPS方案相对传统ITPS方案减重23.35%。以上工作为促进热防护系统的设计-制造一体化进程提供必要的理论储备与技术支持。     

相变及炭黑杂质对氧化铝粒子流辐射特性的影响

基于Bruggeman有效介质理论与反向蒙特卡罗法计算了轴对称高温氧化铝粒子流在轴线正侧向辐射强度分布。采用Bruggeman有效介质理论计算多相态共存氧化铝粒子以及含少量炭黑杂质的氧化铝粒子的等效光学常数,以此为基础,通过反向蒙特卡罗法考察氧化铝粒子相变过程以及粒子中少量炭黑杂质对粒子流场轴线上辐射特性的影响。发现粒子相变过程中多相共存状态对高温粒子流场紫外波段辐射信号的影响不可忽略,氧化铝粒子中含有少量炭黑杂质就能够明显降低粒子流高温区间轴线上光谱辐射强度,当波长增加到近红外波段时,离喷口较近处轴线正侧向相对光谱辐射强度随着含炭黑量的增加而增大。     

发射筒/固体发动机复合结构内部温度场随环境温度的变化规律

针对装载在发射筒内的固体发动机装药初温预估问题,基于某型武器装备实际结构建立了"发射筒/固体发动机"多层复合结构传热模型和相应的有限元模型,应用ANSYS APDL软件对该复合结构在不同环境温度载荷作用下内部温度场分布进行数值仿真计算,得到复合结构瞬时温度场和内部温度随外界环境温度变化的规律曲线。通过与开展的实际装备的环境温度实验比较,结果表明,仿真计算的内部温度随时间变化曲线与装备实验实测曲线基本一致,温度最大误差为4%,在合理误差范围内验证了本文建立的模型及仿真算法的正确性。因此,余弦式周变环境载荷工况下的仿真结果对实际装备作战应用具有一定参考价值。     

人为粗糙度强化传热机理数值分析

在统观模型框架内,采用k-ε模型对带人为粗糙度冷却通道内的流动和传热进行了数值模拟,得到了速度场、温度场和湍流脉动物理量分布,并比较了人为粗糙度冷却通道与光滑通道的数值模拟结果.基于数值模拟所提供的详细的流场信息,研究了人为粗糙度对流动和传热的影响,揭示了人为粗糙度强化换热的机理.本研究可为改进液体火箭发动机推力室人为粗糙度冷却通道的设计提供参考.     

载人航天器密封舱流动和传热数值模型及其地面验证

为求解载人航天器密封舱内复杂的空气对流、导热和辐射三者耦合的传热问题,本文建立了载人航天器密封舱的流动与传热数值模型,对地面试验状态下密封舱内的空气流动与传热进行了仿真分析,并利用试验结果对数值模型进行了验证.结果表明,建立的数值模型可靠且具有较高精度,仿真结果与地面试验数据吻合性较好,可进一步用于热控系统性能评估、在轨支持和故障处理.     

低温加注管路绝热层有限元计算结果与分析

对低温加注管路的绝热层在液氮调试的工况下进行有限元计算，分析了影响管路传热的各种条件，指出了以往经验方法的不足，并得出了一系列对今后的靶场工作有着重要参考意义的数据。     

考虑汽化的喷嘴高温气流注水两相流动规律

针对某火箭发动机考虑汽化的注水气液两相流问题,研究了液态水的汽化机理。根据不同环境压力下水的饱和温度建立了汽化模型,编制适合于液态水的专用汽化相变求解程序,并通过添加汽化组分源项及热源项的方法将汽化相变计算嵌入到多相流场控制方程中,实现了考虑液态水汽化相变的三维多相流场求解。结合经典算例进行了对比,特征点的两相流场温度计算值和试验的误差控制在8.5%以内,验证了程序三维计算的可靠性。距火箭喷嘴不同距离横截面的两相质量转化率曲线显示,质量转化率从最低值上升到最高值,然后降低到最低值,揭示了考虑相变的气液两相相间反应转化机理。该方法可为运载火箭发射平台发射起始阶段水室的汽化降温提供参考。      

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。     

脉冲激光辐射下VO_2薄膜的光限幅性能

采用反应溅射和后续退火工艺,在石英衬底上制备具有热致相变特性的VO_2薄膜,并对薄膜的光学性能进行表征。研究发现:在弱光辐射下,随着温度的改变,薄膜的透射率在可见及近红外光区会发生显著变化,具有良好的相变光开关特性;在强光辐射下,制备的VO_2薄膜同样具有良好的红外光调制深度;当脉冲激光波长为1064 nm时,随着脉冲能量的逐渐增强,薄膜的表面反射率逐渐降低,光限幅性能呈现出先升高再降低的趋势,其透射率最低可降至7%,薄膜的脉冲激光损伤阈值约为50 mJ/cm~2。     

航天材料及工艺研究所两个项目获国家自然基金资助

航天材料及工艺研究所李同起申请的项目相变储能用高导热骨架碳材料结构调控研究和张继华申请的项目基于网络协同作用的低温耐油氢化丁腈橡胶设计、制备及苛刻环境的演化机理研究获得2011年度国家自然科学基金委员会的资助。