液氮喷雾冷却换热特性实验研究

通过搭建液氮喷雾冷却实验台,研究了TG6.5型实心锥喷嘴的喷雾冷却特性,分析了临界点附近的过热度和热流密度以及过热度和换热系数的关系,讨论了喷雾面积和喷雾流量对换热效果的影响。结果表明：在换热过程中,随着热流密度的增加,过热度变化可以分为缓慢增加、明显增加和急剧增加3个阶段,并且区间的分布和换热面积的大小关系密切。受核态沸腾过程中气泡的影响,出现最大换热系数时的过热度要小于达到临界热流密度时的过热度。增加喷雾流量能显著提高换热效果;增大热沉面积会降低单位面积内液滴颗粒冲击的频次和强度,换热效果下降。     

某载人航天器密封隔舱内CMG散热设计与分析

针对某载人航天器密封隔舱内单框架控制力矩陀螺(CMG)的散热问题,设计了射流式强迫对流散热系统,建立了隔舱内流动与传热仿真模型。通过仿真得到CMG转子表面气流和密封隔舱内流场分布特性,通过流动、传导和辐射耦合计算,获得了隔舱内设备温度分布,重点考察了CMG转子散热特性。仿真结果与真空热试验数据一致,验证了CMG散热设计的正确性和仿真模型的准确性。仿真分析方法和结果可为同类型密封隔舱内设备散热分析提供参考。     

一种与流体回路耦合的板翅式相变换热器设计及验证

针对月球轨道复杂的热环境,设计一种与流体回路耦合的板翅式相变换热器,通过利用相变材料熔化蓄热、凝固放热的特性,实现对航天器在不同外界热环境条件下散热能力的调节。基于一系列简化假设,开展相变换热器仿真分析,计算给定入口温度条件下相变换热器的换热性能和熔化与凝固特性,并且详细分析相变腔体内相变材料的熔化过程。通过搭建相变换热器性能试验台开展试验研究,得到相变换热器运行的温度结果,验证了相变换热器设计的合理性。文章提出的耦合相变换热器的流体回路方案可作为载人航天器月球轨道飞行的有效热控手段。     

自适应直角坐标网格方法在对流换热数值模拟中的应用

复杂几何边界是对流换热计算面临的主要难点之一。自适应直角坐标网格方法可以比较方便的处理复杂几何边界,但其应用目前主要集中于可压无粘流的Euler方程、可压粘性流的Navier-Stokes方程的外部绕流计算。本文应用自适应直角坐标网格方法计算了两个不可压内流对流换热算例,并把计算结果同商用CFD软件STAR-CD的计算结果进行了对比。自适应直角坐标网格方法在本文的两个算例中得到了同STAR-CD一致的结果。这说明采用该方法数值模拟对流换热问题是适用的。      

端壁转动对凹槽叶尖流动换热性能的影响

为了研究端壁转动对跨声速凹槽叶尖流动换热性能的影响,采用数值方法,详细研究了三种冷却孔结构凹槽叶尖在端壁转动条件下的叶尖间隙流场、冷却流流态、气膜冷却效率、叶尖表面换热系数和叶尖泄漏流量,同时考虑凹槽深度和端壁转动速度的影响。结果表明:端壁转动在叶尖凹槽内形成与泄漏流分离涡方向相反的旋涡,使泄漏流在凹槽底面的再附增强,在凹槽突肩的再附减弱。端壁转动能减少叶尖泄漏流量,研究范围内,叶尖相对泄漏流量最多减小20%。随着凹槽深度增大,叶尖平均气膜冷却效率随之增大,叶尖平均换热系数和叶尖泄漏流量随之减小。随着端壁转速减小,叶尖泄漏流量随之增大,压力侧和吸力侧冷却孔模型的叶尖平均气膜冷却效率随之减小,而中弧线冷却孔模型的叶尖平均气膜冷却效率随之增大。压力侧喷入冷却气流,叶尖的气膜冷却效果最好。     

扰流柱形状对冲击冷却综合换热效率影响研究

为研究不同形状的扰流柱对冲击冷却系统的影响,对具有菱形、正方形、圆形以及椭圆形扰流柱的冲击冷却进行数值模拟研究,获得了射流Re在1×10~4～3×10~4内冲击靶板的换热特性以及通道内部流场的流动特征,分析冲击射流与不同形状的扰流柱之间的作用机理,并且为了综合考虑换热效果与流动阻力,使用综合换热效率来评价扰流柱在冲击冷却中的作用。研究结果表明:在冷却空气入口条件相同的情况下,菱形扰流柱靶板具有最高的平均努塞尔数Nu以及流动阻力,相比于正方形、圆形和椭圆形扰流柱,Nu分别提高了3.8%,8.9%,10.4%,流动阻力分别提高了9.6%,17.1%,21.3%。圆形扰流柱靶板的综合换热效率相比于菱形、正方形和椭圆形扰流柱分别提高了10.8%,4.9%,1.7%。扰流柱在冲击冷却中所起不同作用的主要原因是其与冲击射流作用后产生涡流的情况及其阻挡横流的能力。当综合考虑换热效果与流动阻力时,在所研究的4种扰流柱形状中,圆形扰流柱是最佳的选择。     

无轴向通流对转轴间的流动与传热特性

为研究航空发动机对转轴间的流动与换热,建立了无轴向通流的对转环腔湍流边界层的修正卡门三层结构速度分布模型。基于该速度分布模型并依据动量传递与热量传递的比拟理论,推导了外轴内壁面换热努塞尔数的表达式及准则关系式。与CFD数值计算的速度分布、外轴内壁面换热努塞尔数进行对比验证,结果表明,对转环腔湍流边界层的修正卡门三层结构模型给出了一致的速度分布和换热规律。理论与CFD计算得到的外轴内壁面换热努赛尔数在低旋转雷诺数下符合较好,高旋转雷诺数下偏离不超过20%。     

涡轮叶片全表面换热特性试验研究

气冷叶片表面对流换热系数对气冷叶片设计至关重要。为了研究气冷叶片表面对流换热特性,设计了典型气膜冷却叶片,采用试验与数值计算相结合的方法对气冷涡轮叶片表面流动换热特性进行了对比研究,获得了叶片表面温度场及叶栅通道内部流场分布特征。结果表明:叶片表面的换热受叶栅流道结构的影响较大。在叶片前缘滞止点以及主流加速剧烈的位置换热较强,加入气膜孔可以局部增强叶片表面的对流换热,但却没有改变叶片全表面换热的变化趋势。     

泡状隔板对涡轮叶片内冷通道换热和流阻的影响

为增强涡轮叶片内部通道的换热、减小流动阻力,提出了一种新型的泡状隔板结构。通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了等热流边界条件下泡状隔板结构的半径以及形状对通道换热和流阻特性的影响,并与直隔板进行对比,实验结果表明:在研究范围内,对称型泡状隔板结构能够大大减小通道流动阻力,随着泡状结构半径的增大,减阻效果增强;不对称型泡状隔板结构只在半径最大时能减小流动阻力;泡状结构对于换热的影响并不明显。实验结论可以为涡轮叶片内部冷却通道的优化设计提供理论依据。     

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。