各向异性Kelvin泡沫胞元高径比对其流动传热特性的影响

飞行器热管理系统中所用的高孔隙率泡沫材料具有质量轻、比表面积大等优点,孔隙尺度几何参数的优化设计对有效提升综合传热性能、降低结构质量至关重要。以各向异性Kelvin泡沫胞元为研究对象,采用混合热格子Boltzmann方法以及多GPU加速技术,实现了同时考虑泡沫骨架导热和多胞元孔隙尺度强迫对流换热的共轭传热数值模拟。在上述基础上,分别选取了Re=10、100、1000计算条件,开展了不同胞元高径比(H/D=0.5、0.75、1.0、1.5、2.0)对其流动传热特性的影响规律研究。结果表明,在不同Re条件下,随着各向异性Kelvin泡沫H/D的减小,其泡沫内部的流动阻力及努塞尔数均增大,且随着Re的增大,对流换热的作用增强,H/D的影响也更为明显。此外,相比于流动阻力,结构传热性能受H/D的影响变化速率更大,由此造成综合传热因子(j/f^(1/3))与H/D成反比关系,即减小Kelvin胞元H/D可有效提高泡沫结构的综合传热性能。

压力影响硅基防热材料界面多相催化的微观机理研究

反应分子动力学模拟是阐明高温壁面效应微观致热机理、深化高速飞行器非平衡气动热认知的重要途径之一,然而通过人为增加压力实现计算效率提升的微观模拟,往往会导致反应路径和速率系数差异,进而影响气动热,造成机理认知偏差。采用基于ReaxFF力场的分子动力学方法,以离解氧原子在硅基防热材料表面的催化复合反应体系为对象,计算分析了不同气相压力条件下的基元反应速率、表面覆盖率和复合系数,用于获得基元反应速率常数与压力的量化关系,明确通过增压提高计算效率的上限范围。结果表明,增压可导致主导反应路径从吸附相间作用至气相-吸附相作用的转变,且使基元反应速率常数-压力的关系偏离实验/飞行条件下的规律。在1200 K条件下、单原子碰撞的压力范围内,各基元反应步骤的速率常数均随压力的降低而下降。其中,ER1~ER3复合反应的速率常数随压力呈近似线性变化,速率常数分别与压力的1.10179、1.01686和0.91654次方呈线性关系;LH1~LH3复合反应的速率常数与压力呈对数关系,且对数前因子显著小于非单原子碰撞区;热解附反应的速率常数与压力呈指数关系。根据气相压力影响催化反应机制的微观机理,以基元反应速率常数-压力关系可以稳定解析为判据,提出了人为增加压力的约束上限条件:以体系高度为特征长度的努森数应大于102量级,以保证气固单原子碰撞。相关研究为气固界面反应的分子模拟方法和防热材料微观催化数据的累积提供了支撑。

高速高温湍流研究进展

低空域高速飞行条件下的飞行器表面边界层具有高马赫数、高雷诺数、高总焓的特点。较高的来流雷诺数使边界层发生从层流到湍流的转捩,而强激波压缩形成的高温环境将导致气体分子出现振动能激发、离解、电离等热化学非平衡过程,完全气体假设将不再适用。两种效应强烈耦合形成高温湍流,进而带来高温边界层扰动演化与多尺度涡结构、高温强扰动下气固界面多相反应、极端高温环境等离子体湍流等新的流动物理问题。本文从机理、预测、实验测量等方面,总结了高速高温湍流领域的研究进展和现状,展望了未来需要关注的研究方向。

水滴在撞击不同厚度水膜条件下产生的二次液滴特性

采用高速相机对水滴撞击水膜的飞溅过程进行了详细测量,分析了水滴撞击水膜的飞溅临界值、二次液滴的直径分布和二次液滴的速率等飞溅特性。结果表明,在实验参数范围内,当韦伯数增大时发生飞溅现象。此外,可以使用量纲为一参数K来描述飞溅临界值,K=We·Oh-0.4。当K值大于2 100时发生飞溅现象,二次液滴的量纲为一直径和二次液滴的量纲为一速率随着K值的增大而增大。水膜量纲为一厚度对二次液滴直径分布的影响不明显,但由冠状水花产生的二次液滴的平均量纲为一速率随水膜量纲为一厚度的增加而减小。

飞行器前体-进气道热变形效应对进气性能影响的流/热/固耦合数值模拟

进气性能是吸气式高超声速飞行器进气道设计的重要指标。在长时间气动热载荷作用下,飞行器前体和进气道均会产生不同程度的热变形现象,改变进气道内部气流组织和流场结构,影响进气性能甚至危及飞行安全。基于自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台,开展了飞行器典型前体-进气道结构的流/热/固耦合数值模拟,分析了前体压缩面和唇口构型的热变形效应对进气道波系结构和进气性能的影响规律。分析表明:长时间巡航状态下,考虑热变形影响时,进气道唇口会偏离设计状态,波系随局部变形而发生位移和振荡,导致进气道入口流量系数上升,总压恢复系数下降,升压比上升。热变形导致进气性能相关影响需在吸气式飞行器设计中予以重点关注。

相变材料蓄冷板凝固过程的传热研究

采用精确解法与积分近似相结合的方法,对一种自制相变材蓄冷材料充冷凝固过程的相变导热问题进行了求解。获得了该蓄冷介质在板式蓄冷器中凝固时的相界面移动速度,边界面热流密度随时间变化的规律,及不同工况下蓄冷板厚度与预测蓄冷时间的关系。计算结果与实验结果吻合较好。结果表明,边界面的热流密度随固相区厚度的增加而减小;预测蓄冷时间随冷媒流体温度的降低而减小,随平板厚度的增加而增加。

飞机结冰过程的传热研究

基于液/固相变的基本理论,对飞机结冰过程中冰层和液膜的传热特性进行了研究,建立了考虑固/液相区传热特性及固/液、气/液界面同时移动条件下的传热模型,并采用该模型对飞机结冰过程中的冰层和水膜生长特征进行了分析。研究表明,所建模型考虑了固、液相区的传热过程及液/固相变的非线性特征,对冰层生长速率及冰型特征有着较好的预测作用。

相变储能堆积床传热特性的研究

基于多孔介质传热理论,建立了储能堆积床的传热模型。在此基础上分析了换热流体流量、温度、单元尺寸、相变材料导热系数和孔隙率等参数对堆积床传热特性的影响。研究表明,提高相变材料的导热系数,增大换热流体温差或减小单元尺寸对堆积床传热速率有明显提高,而提高换热流体流量,增大对流换热系数对传热速率的影响不明显。因而强化相变材料侧的传热过程是提高堆积床传热速率的有效途径。

融化过程自然对流影响作用的实验研究

采用实验的方法对相变材料融化过程中自然对流的影响进行了研究,获得了自然对流作用下的融化速率与平均Nusselt数的准则关系式。结果表明,与纯导热模型相比,自然对流作用加速了融化的进行,建立导热-对流耦合传热模型对于准确预测融化过程具有一定的必要性。

相变热控装置内部的传热特性

针对舱内热控用相变热控装置内部的传热特点,研究装置内相变材料吸热过程的相变传热及流固耦合传热规律,建立了相应的数理模型及数值计算方法,进行了实验验证,并在此基础上分析了典型热控单元吸热特性的影响因素及作用规律。相关研究成果将为相变热控装置吸热及热控特性的有效预测,以及为装置的设计及优化提供参考。

蓄冷率与冰蓄冷空调系统经济性研究

在传统蓄冷系统经济性分析方法的基础上 ,考虑了系统辅助设备的初投资、运行费用及系统运行管理费用。以一典型工程为例 ,分析了蓄冷率对系统经济性的影响 ,得出了蓄冷率与系统初投资。

氨基础乙醇—水二元混合物相变蓄冷特性的动力学研究

采用等温DSC法对氨基乙醇—水二元混合物的蓄冷凝固特性进行了动力学分析,获得了该材料的结晶反应级数、反应速率常数、活化能等参数,并研究了添加剂对动力学参数的影响。结果表明,添加铝粉是提高该材料结晶反应速率的有效方法之一。

蓄冷平板二维凝固特性的焓式有限元法分析

为了研究一种相变材料的蓄冷特性,采用焓式有限元法对该材料的凝固特点进行了研究。获得了以该介质为蓄冷媒介的蓄冷平板在第一类边界条件下凝固时的相界面移动规律、板内温度分布及预测蓄冷时间等参数。数值模拟与实验结果吻合度较好,为板式蓄冷器的优化设计和该相变蓄冷材料的应用提供了一定的理论依据。

过冷水滴液-固相变动力学特性研究

采用非等温DSC法,对过冷条件下水滴的液-固相变动力学特性进行了研究,获得了水滴结晶过程的速率常数、时间指数和Avrami指数。研究表明,降温速率对水的结晶行为影响较大。降温速率越大,则结晶速率越大,结晶峰温和结晶初始温度向低温方向移动,结晶的完善程度相对越差。在-40℃～0℃温度范围,水滴的结晶以异相成核的三维球晶方式生长。

南京地区办公楼的空调能耗模拟

本文采用一种简化的能耗分析方法——BIN法对南京地区一办公楼的年空调能耗进行了模拟计算。文章分析了负荷的几个主要影响因素及对建筑物年能耗的影响程度,绘制了各因子的影响曲线并提出了相应的节能措施。

冰蓄冷空调系统设备容量的计算

本文指出了冰蓄冷空调系统设备容量的影响因素及与常规系统不同的确定方法 ,并以一典型工程为例 。

冰蓄冷空调系统设备容量的计算

蓄冷空调系统设备容量的合理确定是进行蓄冷空调系统设计的重要环节。本文指出了冰蓄冷空调系统设备容量的影响因素及其与常规系统不同的确定方法,并以一典型工程为例,介绍了蓄冷系统设备容量的计算方法。

翻转单元对融化过程传热强化作用的数值模拟

为了提高板式相变储能单元的融化传热速率,提出了在相变材料融化过程的适当阶段翻转储能单元以起到传热强化作用的方法,并采用数值法对该方法的传热强化效果进行了分析。研究表明,在融化过程的适当阶段翻转储能单元可提高融化速率30%,其传热强化作用的大小取决于R ay leigh数和Stefan数的大小,且Stefan数越大或R ay leigh数越小,翻转单元的传热强化效果越明显。相比较而言,单元高宽比的改变对传热强化作用的影响相对较小。

相变材料蓄冷堆积床的优化设计

根据相变材料蓄冷堆积床的传热特性,提出了一种堆积床的优化设计方法。以一种新型相变材料为蓄冷媒介,以堆积床的总费用为优化目标,以蓄冷量、蓄冷时间及载冷流体温度作为约束条件建立优化模型,得出了给定蓄冷量条件下系统初投资和年运行费用总和最低时的蓄冷单元数量、定性尺寸和换热流体温差等优化参数。定量分析了谷峰电价比对系统运行电费的影响。

相变材料蓄冷平板凝固传热的研究

采用精确解法与积分近似相结合的方法,对一种自制相变蓄冷材料充冷凝固过程的相变导热问题进行了求解。获得了该蓄冷介质在板式蓄冷器中凝固时的相界面移动速度,边界面热流密度随时间变化的规律,及不同工况下蓄冷板厚度与预测蓄冷时间的关系。计算结果与实验结果吻合较好。结果表明,边界面的热流密度随固相区厚度的增加而减小;预测蓄冷时间随冷媒流体温度的降低而减小,随平板厚度的增加而增加。