结合空天技术前沿的“高等工程热力学”教学方法探索

“高等工程热力学”是工程热物理及热能工程专业研究生的必修课之一。在航空航天类院校开展“高等工程热力学”课程教学,对高等工程热力学基础理论和专业知识进行系统讲授的同时,需要紧密结合航空航天技术发展前沿,培养学生的学习兴趣,增强其学习动力和主动性。通过对“高等工程热力学”课程教学现状进行分析,指出了目前存在的“重知识,轻能力”的问题。针对上述问题,从教学方法、教学实践方面给出了结合航空航天技术发展前沿的“高等工程热力学”课程教学改革实施方案,并对某教学实例进行细致分析,切实提升教学质量。

重力辅助环路热管稳态运行特性的实验研究

随着环路热管应用领域不断扩展,其可能在各种姿态下运行,包括重力辅助姿态。对环路热管在重力辅助姿态下的稳态运行规律和特性进行了实验研究,并同平放及反重力条件下的运行特性进行了比较。通过实验可得出,在重力辅助姿态下,环路热管存在两种驱动模式,即重力单独驱动模式和毛细力与重力共同驱动模式。当热载荷较小时,环路热管工作在重力单独驱动模式,蒸汽管线内为气液两相工质,回流液体对储液器的冷却作用加强,运行温度明显低于平放及反重力条件下之值,热导显著增大;当热载荷大于某一临界值,环路热管工作在毛细力与重力共同驱动模式,蒸汽管线内为单相蒸汽,运行温度同平放及反重力条件下之值基本一致。最后,从环路热管系统压力平衡和储液器能量平衡的角度对上述实验现象进行了解释和分析。

环路热管稳态建模及运行特性分析

建立了环路热管的稳态模型,并基于能量平衡、压力平衡、质量守恒以及几何约束进行求解,证实了许多相关文献介绍的环路热管稳态运行特性,例如,热沉温度、环境温度等对稳态蒸发温度的影响.对下述问题提出见解:蒸发器的漏热的分析;可变热导区和固定热导区的成因;固定热导区热导的变化;工质充装量和储液器容积的确定方法.结果表明,用来加热通过毛细芯的流体的蒸发器漏热分量在热载荷较大时不可忽略;反重力高度和环境对回流液体的加热是可变热导区的成因;大热载荷下,固定热导区热导随热载荷增大而减小,并可能达到临界热载荷,其解决方案在于工质充装量和储液器容积的匹配.

椭圆管壳管式换热器传热性能的实验研究

为了确保滑油的润滑效果,对滑油进行高效冷却使其处于适宜的温度范围,提升燃滑油换热器的传热性能,满足航空发动机对其性能的更高要求。基于椭圆管良好的换热及流动特性和小管径椭圆异形管技术,设计开发一种椭圆管壳管式燃滑油换热器,并搭建实验平台,对其传热与流阻特性开展全面的实验研究,并同常规的圆管壳管式换热器进行比较分析。实验获得了椭圆管壳管式换热器传热量以及流阻随流量的变化规律。实验结果表明,在实验工况范围内,相比常规的圆管壳管式换热器,椭圆管壳管式换热器传热量最高可提升15.6%;同时,壳管式换热器壳侧流动阻力明显降低,最大降幅达23.2%,而管侧流动阻力变化很小。以基准圆管换热器为标准,椭圆管壳管式换热器的PEC指数在管外侧流量大于20 L/min时稳定在1.2~1.4区间内,证明该换热器达到提高综合换热性能的目的,在航空发动机高效燃滑油换热领域具有广阔应用前景。

环路热管复合芯传热与流动特性分析

环路热管是目前航天器热控制领域最前沿的热控技术之一,而高性能的毛细芯是其高效可靠运行的保证.为不断提升毛细芯的综合性能,目前毛细芯由单一结构向着复合结构发展.建立了圆柱型蒸发器环路热管应用的双层复合结构毛细芯的数学模型,对其传热与流动特性进行了分析,重点考察了热载荷以及复合芯内外层厚度比的影响,并同单一结构的毛细芯进行了比较.分析结果表明:复合芯在获得高的毛细抽吸力和蒸发效率的同时,可实现低的流通阻力与径向热导,其传热与压降特性明显优于单层芯,是高性能毛细芯的发展趋势;当复合芯的整体尺寸一定时,复合芯内外层的厚度比越大,复合芯的径向热导和流通阻力越小,有利于提高环路热管的运行性能.

小管径冷凝管的数学模型

基于环状流流型建立了小管径冷凝管的数学模型.模型考虑了气液界面表面张力的作用,在同一横截面上气相与液相存在压力差.对两相压降的计算,考虑了气液两相间的相互作用,包括摩擦切应力和动量转移切应力.应用该模型,可考察气相与液相压降、液膜厚度、气相与液相平均速度、气液界面切应力以及管内壁换热系数等的沿程变化情况.根据模拟结果可得:两相压降沿管长呈近似线性增加;气相平均速度沿管长先增大后逐渐减小,但变化范围很小,且远大于液相平均速度;动量转移切应力随液膜厚度增加而增大,同摩擦切应力相比不可忽略;管内壁对流换热系数随液膜厚度增加而减小,由于冷凝管的管径很小,即使蒸气冷凝趋于完毕,气液界面接近冷凝管中心线,换热系数仍较大.

TiO_2纳米流体在液冷服上的应用实验研究

为了更好地理解与运用纳米流体在液冷服上的强化传热能力,开展TiO2纳米流体在液冷服上的试验研究.利用暖体假人系统模拟人体散热,从人服系统的稳态和瞬态两种情形对应用TiO2纳米流体液冷服在散热、温控、能耗等性能上与应用水的情形进行对比分析.结果表明：应用TiO2纳米流体的液冷服工作性能受工质进口温度、质量流量和纳米颗粒体积分数的影响很大,通过合理匹配以上参数可以提高液冷服的工作性能;若上述参数匹配不当,则将导致液冷服的工作性能恶化,甚至出现低于应用传统工质水的情形.在该实验条件下,当纳米颗粒体积分数为2%,入口温度为15℃,质量流量为1 000~1 400g/min时,液冷服的散热能力比以水为工质时提高6%;所需的泵耗显著降低,为水的0.70~0.80倍;人服系统温度分布和液冷服抗热负荷能力均有所改善.

不凝气体对航天器两相热控设备性能的影响

不凝气体(NCG)是影响航天器两相热控系统性能和寿命的关键因素之一。文章总结了NCG产生的机理,即材料相容性、物理吸附与脱附,以及空间极端环境下工质的分解;介绍了NCG对航天器传统热管、环路热管和重力驱动两相流体回路热性能的潜在危害,包括工作温度升高、总热导减小、启动困难,甚至引起运行失效;从工程应用角度,提出了NCG问题的抑制措施,如对于环路热管,可加装半导体致冷器,对于两相流体回路,可增大储液器体积或减少工质充装量。

环路热管蒸发器的制作与性能测试

研制了羰基镍粉毛细芯,并对其基本性能参数如孔隙度、渗透率以及有效孔径等进行了测试。测试结果表明,该毛细芯孔隙度较大而有效孔径较小,满足研制要求。通过大量实践与尝试,成功解决了环路热管蒸发器制作中的密封与接触两个关键问题,制作出环路热管蒸发器,并搭建环路热管实验台,对蒸发器性能进行了试验测试。结果表明:应用该蒸发器的环路热管能实现可靠的启动,并在热载荷递增测试中表现出良好的工作性能,证实了本文作者提出的蒸发器制作方法的可行性与有效性。

高等工程热力学课程“四位一体”教学模式探讨

在“新工科”建设大力推进的背景下,加强学生工程应用能力的培养是高校深化教学改革的重要组成部分。高等工程热力学是一门工程应用性强的基础理论课程,作为培养研究生理论联系实践能力的一个重要切入点,该课程教学始终贯穿“新工科”人才的培养理念。通过探讨前沿教学拓展、工程案例设计、专题项目探究、综合能力考核等“四位一体”的高等工程热力学课程教学模式,着力培养学生自主学习和探究的兴趣,形成师生交流融合的学习研究共同体,构建教学相长、教学和科研相互促进的研究生工程创新能力培养的实践平台,提升学生工程应用和创新能力。

基于环路热管的动车组牵引变流器冷却系统方案设计与模拟分析

为了提高铁路核心电子部件冷却系统技术水平,满足铁路电子装备发展需求,运用热控领域先进技术环路热管针对牵引变流器核心部件IGBT进行了冷却系统方案设计,并对设计方案进行了模拟分析及传热极限校核,为今后牵引变流器及其他铁路大功率电子设备冷却技术的发展提供新思路。

深冷环路热管稳态运行特性的理论分析

基于能量平衡、压力平衡以及质量守恒,建立了氮工质深冷环路热管(CLHP)的稳态数学模型,模拟结果同实验数据具有良好的一致性.应用该模型对CLHP的稳态运行特性进行了理论分析,考察了寄生热载荷、次蒸发器功率等对CLHP运行性能的影响,并得出如下结论:同常温环路热管相比,CLHP的传热能力明显减小;当主蒸发器热载荷较小时,寄生热载荷以及反重力高度的存在使CLHP的稳态运行温度明显升高,而通过对次蒸发器施加功率可显著改善CLHP的工作性能;CLHP最高运行温度/压力随储气室容积的增大而减小,相应的,其最大传热能力将受到限制.

小型毛细泵环(CPL)运行特性的实验分析

小型化是毛细泵环适应微小型高功率密度电子设备散热需求的一个发展趋势.对一小型毛细泵环进行实验研究,重点考察了重力场中不同姿态对毛细泵环运行特性的影响以及毛细泵环在高热流密度工作时的控温特性.根据实验结果可得:该小型毛细泵环可实现不同姿态下的迅速起动,并在热载荷递增过程中表现出良好的控温性能,最大传热能力达50 W,最高热流密度达到12.5 W/cm2,能够满足高功率密度电子元器件冷却的需求;当热流密度较低时,该毛细泵环可实现精确控温;而当热流密度较高时,蒸发器壁面温度波动较大,无法实现精确控温.

不凝气体对环路热管工作性能的不利影响

通过向环路热管内充装定量氮气来模拟实际不凝气体的生成,考察了不同不凝气体含量、热载荷和热沉温度条件下,环路热管工作性能的变化.结果显示不凝气体对工作性能造成的不利影响体现在：取决于热载荷和热沉温度,可导致稳态工作温度升高2~10℃;在小于60W的热载荷区间或者-5℃的热沉温度条件下,不凝气体导致的不利影响更加显著;改变控温性能,产生一个故障热载荷区间;启动时间、启动温度、启动温升增大;引发温度波动现象和系统运行失效.基于特征点温度的变化特性,分析并讨论了不凝气体影响环路热管工作性能的物理机理.

双储液器环路热管稳态运行特性的实验研究

双储液器环路热管的独特设计可以解决常规单储液器环路热管地面重力场中运行姿态受限的问题,拓展常规环路热管的应用领域。对双储液器环路热管在3种特定姿态下的稳态运行特性进行了实验研究,验证了双储液器环路热管即使在最为苛刻的姿态下仍可正常运行的能力。通过对实验结果的分析可得:双储液器环路热管在重力辅助姿态下的工作温度偏低是由系统外回路压降变化引起的;可变热导区内工作温度随热载荷的变化是由控温储液器的能量平衡所决定。此外,实验发现双储液器环路热管在热载荷递增和递减过程会出现温度迟滞现象。

双储液器环路热管工作不稳定性实验分析

对双储液器环路热管运行中出现的温度迟滞、倒流及温度波动等不稳定现象进行了描述和解释.实验发现,在热载荷递增和递减循环实验中,双储液器环路热管在可变热导区内的工作温度并不一致,功率递减时的工作温度偏低;姿态对出现温度迟滞现象的热载荷范围有一定影响;热载荷变化幅度对温度迟滞的影响并不大.倒流现象不仅发生在蒸气槽道充满液体的小热载荷启动过程,蒸气槽道存在蒸气的小热载荷启动过程中也可能发生工质倒流;工质倒流的原因主要是芯内蒸发或者蒸气瞬间穿透毛细芯,使得芯内压力高于芯外压力.温度波动现象可能发生在小热载荷启动或者较大热载荷的亚稳态运行过程中,尤其当有液体引管穿过的储液器位于蒸发器上方时,温度波动发生的几率较大.

真空条件下液滴闪蒸的非均温建模与分析

为深入揭示液滴在真空环境下的闪蒸机理,建立了真空闪蒸全过程、非均温的传热传质数学模型,获得了各时刻液滴温度场及半径,并能够追踪结冰阶段的相变界面位置.通过开展液滴闪蒸的实验研究,观察了相变前后液滴的形态变化,并对数值模型进行了验证.基于数学模型,研究了液滴初始半径、初始温度、真空舱压力和结冰过冷度对闪蒸过程的影响规律.结果表明:真空舱压力是影响闪蒸过程的主要因素,且会影响最终平衡温度;初始半径主要影响预冷和冻结时间,而初始温度和结冰过冷度主要只影响预冷时间.

结构参数对环路热管稳态工作性能的影响

环路热管作为一种先进的两相传热设备,在航天器热控以及地面电子产品散热方面具有广阔的应用前景.基于能量平衡、压力平衡以及质量守恒建立了环路热管的稳态数学模型,并采用增值寻根法进行求解,模拟所得环路热管稳态运行温度同实验数据基本一致.基于该数学模型分析了蒸发器长度、毛细芯厚度、冷凝器管线长度、蒸汽管线长度以及液体管线长度等结构参数对环路热管稳态工作性能的影响,得出蒸发器向储液器的漏热和冷凝器有效冷凝面积是影响LHP稳态工作性能的主要因素的结论,并将作为对环路热管结构参数进行优化设计的依据.