光学舱推进剂补加过程的热分析仿真与试验研究

推进剂补加是确保光学舱在轨长寿命工作的重要功能,补加过程面临的热环境条件比以往任务恶劣,全过程热控制十分必要。针对光学舱推进剂补加过程的复杂传热新问题,建立包含压气机、液冷模块和环路热管等部件的光学舱平台集成热数学模型,进行热分析仿真研究,并开展系统级热试验。对比高温和低温2种补加条件的瞬态热分析和热试验结果,研究传热关系和温度变化规律;针对热试验中垂直热管因重力因素从不运行至运行的瞬态过程,提出一种变热导率仿真方法;提出高温补加优化设计方案并进行在轨预示。结果表明:瞬态仿真结果与试验结果吻合良好,验证了热分析方法和仿真模型的准确性和有效性;在轨补加采用压气机本体预热并启动2套环路热管,压气机的最高温度≤34.1℃,预热总功耗50 Wh,满足指标要求。研究结果对于光学舱停靠空间站期间的推进剂补加流程设计具有一定参考价值。

基于厚壁圆筒理论的袖阀管注浆开环压力计算方法及影响因素分析

目的袖阀管注浆技术已广泛应用于地层加固、路基病害治理、地铁站渗漏水处治等众多工程领域,然而袖阀管注浆的关键技术—开环压力的确定问题目前尚未有效解决。为解决此问题,方法基于厚壁圆筒理论模型,提出任意倾斜状态下袖阀管出浆口地层应力计算方法,结合第四强度准则,建立考虑多因素综合影响的袖阀管注浆开环压力理论计算公式,并进行开环压力影响因素分析。结果结果表明,袖阀管注浆开环压力随套壳料抗压强度、套壳料与土体泊松比比值、注浆深度、地层最小与最大水平主应力比值的增大而增大,随着套壳料内外半径比、套壳料与土体弹性模量比的增大而减小。套壳料抗压强度、套壳料内外半径比、注浆深度和注浆钻孔方向对开环压力的影响较显著。注浆钻孔方向对开环压力影响较大,α一定时,开环压力随β增大而减小;β一定时,开环压力随α增大而增大。将本文建立的袖阀管注浆开环压力计算公式应用于新建大冶北至阳新铁路DK107+105框架顶进涵工程,并与现有开环压力计算方法进行对比,利用本文方法计算得到的开环压力值更接近现场实测范围,并优于现有计算方法。结论研究结果可为袖阀管注浆理论发展和现场应用提供支持。

35 K空间深低温热传输系统性能天地差异

为了解决空间红外探测系统的深低温散热问题,保证红外探测器的低温工作环境,基于脉冲管制冷机和深冷环路热管,设计研制了一套35 K温区的深低温获取与热传输集成系统.该系统由一套35 K温区氖工质深冷环路热管、两台35 K温区脉冲管制冷机、一台150 K温区脉冲管制冷机、隔热冷屏、测温/加热组件、控制系统等组成.完成了地面单机级、整星级热真空测试,并于2020年完成空间飞行测试.在地面单机试验中开展了水平姿态和逆重力恶劣姿态下的传热测试,保证了空间微重力下必定能稳定工作;整星级测试验证了系统在卫星平台散热工况下的工作特性,空间飞行测试获得了系统的空间微重力下的工作性能.本文分析了系统在上述不同阶段的热性能,包括超临界启动特性,稳态运行性能等,验证了相关设计的正确性,重点对比了不同阶段的性能差异,分析其可能的原因.

应用于新型环路热管的两相引射器数值模拟

环路热管是一种高效被动式相变传热装置,广泛应用于高热流电子器件散热等领域。前期研究发现将小型两相引射器与平板式环路热管耦合,可大幅提高传热性能。然而,小型两相引射器内部流动及传热机理尚不清晰,难以对新型环路热管进行正向设计与理论建模。通过数值模拟研究了汽水参数和混合腔结构对两相引射器性能及内部流场分布的影响。结果表明,喉部下游存在凝结激波,随着背压增加,其位置逐渐向喉部移动;其强度与背压、蒸汽产量、混合腔长度呈正相关,与水温呈负相关。引射器最大工作背压在40~125 kPa,与蒸汽产量和水温呈正相关,与混合腔长度呈负相关。通过大量模拟,得到了设计功率下水温和混合腔长度对引射器工作模式和压比的影响规律。

超薄空间复杂边界条件下气体流动压降实验

随着超薄热管等元件进一步超薄化,蒸汽腔厚度减小导致蒸汽流动压降急剧增大,传热热阻增加,传输极限降低。搭建了超薄受限空间气体流动压降实验装置,开展空气流动实验,获得了不同通道高度(0.1~0.5 mm)、不同表面丝网孔径(0.036~0.104 mm)和不同流速(1~10 m/s)下的压降变化。结果表明:通道高度和流速对压降产生显著影响,而表面丝网孔径并不会;3个影响因素按显著程度依次为通道高度、流速、表面丝网孔径;随表面丝网孔径的减小,压降逐渐增大;随通道高度的减小,压降先缓慢增大,在减至0.3 mm后压降开始剧烈上升;随流速的增加,压降增大且近似呈正比例变化关系。最后基于实验数据修正了微通道层流情况下沿程阻力系数相关性预测关联式,以便更准确地预测气体压降。

高温环路热管设计方法研究与传热极限分析

高超声速飞行器在以高超声速飞行时尾喷管会面临严酷的燃烧热考验,结合高温热管导热性强和环路热管传热距离长等优势,高温环路热管可以作为尾喷管热防护的新方法.根据液态钠高导热系数及高表面张力的物性设计了一种新型蒸发器,提出了一套高温环路热管的设计流程.使用这套设计流程设计了一根高温环路热管,结合热管传热极限的计算方法,对钠热管进行仿真计算,分析了温度和结构对热管传热极限的影响.研究发现在高温环路热管的运行温区内,热管的传热性能随着温度升高一般由声速极限、毛细极限和沸腾极限依次决定.结合研究结论提出了热管结构优化方法,为热管设计提供了理论依据.

倾角对平板型LHP 运行性能的影响

通过改变内部毛细芯结构达到改善环路热管性能、减小环路热管体积的目的,取消储液腔,将传统的长矩形蒸汽槽道更改为特斯拉阀形状,并且将蒸发器进出口设置在蒸发器两侧。研究该热管在不同倾角下的启动性能、运行特性。结果显示:相对于0°倾角运行,倾角的存在能够减少环路热管的启动时间,降低蒸发器温度,存在倾角的条件下启动特性差别不大。随着功率的增加,不同倾角的环路热管热阻减小,仅在倾角(10°以下)较低时有较大的热阻。随着倾角的增加,环路热管热阻随功率的变化无较大改变。

常温闭环脉动热管性能影响因素研究综述

常温闭环脉动热管依靠工质在管内脉动和相变传热,具有传热效率高、结构简单、成本低等优点,广泛应用于电子元件散热。将影响脉动热管启动和传热性能的因素分为3类展开综述:结构参数、操作参数和工质物性参数。首先对结构参数中管径、截面形状、弯头数以及各段长度比等因素的研究进行总结,其次分析操作参数中加热功率、倾斜角度和充液率的影响,最后将工质物性参数分为影响流动和传热两方面进行归纳。为提升脉动热管启动和传热性能,未来需对临界弯头数开展深入研究;为适应小倾角和负角度工况,需要提升热管抗重力性能;为描述工质物性对热管性能的影响,需构建物性参数综合评价指标。

飞机防除冰机理及超疏水材料的机载应用

飞机表面结冰改变飞机的飞行动力学特性,严重威胁了飞行安全,因此飞机防除冰技术对于安全飞行有重要意义。首先,通过分析飞机结冰的基本原理、类型、影响等,介绍现有的防除冰技术的方法及优缺点对比,详细综述了超疏水材料的润湿性模型、机理等,同时对超疏水材料研究现状进行了全面综述并对其特定条件(超疏水特性失效)进行分析,特别指出了存在的问题和挑战。其次,在单一防除冰系统缺陷的基础上提出了复合型防除冰系统,并对几种复合防除冰系统进行介绍且将其与单一防除冰系统进行对比。此外,针对超疏水材料应用可能出现的问题,提出了一种回路热管+超疏水材料相结合的飞机防除冰系统。最后,就超疏水表面与复合型防除冰系统存在的问题进行分析与展望,认为主被动复合型防除冰系统具有良好的应用潜力。

重力对新型大功率环路热管传热性能影响的实验研究

针对数据中心冷却引发的巨大能耗问题,提出一种可用于数据中心服务器冷却的大功率空冷式环路热管。通过大量对比实验,探究重力对该环路热管传热性能的影响。实验结果表明,所提出的梯度毛细结构以及对回流液体再冷却的方法能够有效改善大功率环路热管在不同重力模式下的传热性能。经过结构优化后的环路热管在重力辅助模式下的最大传热能力达950 W,对应的系统总热阻低至0.1℃/W,且成功实现了逆重力模式下的运行。

基于基尔霍夫定律的虚拟仿真管网平差优化设计

为解决管网平差精度和可视化问题,基于基尔霍夫定律,构建“衔接矩阵”“环路矩阵”和“追溯矩阵”3个矩阵进行管网平差;以各环闭合差的绝对值之和最小为目标进行规划求解,从而得到高精度的平差结果,完成管网平差的优化设计.把平差的数学模型和约束条件在Labview的编程平台上进行可视化编程,开发出环状给水管网的水力计算的虚拟仿真软件,以直观地展示平差的结果和节点处的压力.仿真结果显示,管网平差的四环闭合差绝对值之和为2.041×10^(-10) m,表明闭合差控制在了精度范围内,而且远远小于管网平差精度要求.实际工况模拟显示,利用虚拟仿真技术模拟管网平差甚至事故校核等,均具有高效、高精度和直观的特点,可大大提高计算效率和准确性.

母管制热电联产机组闭式循环冷却水系统节能改造

针对某母管制热电联产机组闭式循环冷却水系统运行中存在的泵选型偏大、能耗高等问题,对闭式循环冷却水泵叶轮优化改造,保持额定流量不变,减小了扬程。将单元制的闭式循环冷却水系统改造为“大母管制”。经过长时间运行测试,在非夏季工况闭式循环冷却水系统可减少1台水泵运行,电功率减少约166kW,每年可节约52万元,获得了较大的经济效益。

锅炉水冷壁管爆管原因研究

一台蒸汽锅炉的水冷壁管在同一部位连续发生爆管,严重威胁生产安全。文章通过研究爆口管材的材质、力学性能、金相组织以及锅炉结构和水冷壁中的流量分配等,分析爆管原因,并提出循环回路的优化措施,以期为后续类似问题的处理提供参考。

高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证

高分辨率立体测绘相机的光学系统及探测器的温度稳定性影响测绘相机的测绘精度。针对透射式光学系统,采用多级外热流抑制技术,使星相机透镜的温度稳定性提高了6倍;针对反射式光学系统,采用间接辐射式控温等热控技术,使主镜、次镜的温度稳定性达到±0.3℃;针对大功率电荷耦合元件(CCD),采用基于环路热管(LHP)的节能型控温技术,在满足温度指标的前提下使环路热管驱动功率的周期平均值由60 W降低至33.8 W,同时节省约40%的主冷凝器面积及质量;针对CMOS,采用两级温度波动抑制技术,使其温度稳定性达到±0.3℃。研究了地面热试验的方法,报告了测绘相机系统关键部组件在极端空间环境下的在轨数据,全面验证了热控设计方法的正确性。

液氮温区二维指向深冷环路热管设计与实验研究

空间二维指向机构与红外探测器配合,有利于实现对空间目标大范围的动态追踪、指向、快速定位等功能。将深冷环路热管(CLHP)与二维指向机构耦合,可以大大降低系统机构的复杂程度,实现远距离热传输,提高探测精度和转向灵活性。为此,设计研制了液氮温区二维指向CLHP。对设计流程和部件参数进行了介绍,通过伺服电机驱动实现了俯仰、偏航±90°以上的转动。通过开展热真空实验,研究了不同工作参数对超临界启动和传热极限的影响。结果表明:所设计的系统具有最大13 W的传热能力,适当提高充装压力有利于提高系统的稳定性和传热能力,增大次蒸发器辅助载荷有助于提高最大传热能力。

面向高热流电子器件散热的环路热管研究进展

环路热管是一种高效的两相传热装置,在高热流电子器件散热领域极具前景。介绍了平板式环路热管目前存在的三大瓶颈问题,即极限热通量不能满足某些大功率器件的需求、温度波动问题和低功率下启动失败及温度过冲问题,分析了这些问题产生的原因,并总结了近十年来研究人员提出的解决方法,包括毛细芯性能改良、工质优化和环路热管结构改进等。随后列举了已取得实际应用的环路热管结构及其使用场合。最后对平板式环路热管的研究现状进行了总结,并提出了进一步的研究方向,为提高环路热管综合性能和实现商业化应用提供参考。

棉花膜下滴灌施肥闭环控制系统设计与试验

针对以软管泵作为施肥驱动机构的精量施肥系统施肥流量出现脉冲性、施肥不稳定的问题,设计了基于PID算法的棉花膜下滴灌施肥闭环控制系统。系统能够通过测量施肥管道流量将施肥流量反馈给变频器,变频器将实际流量与用户给定的施肥流量设定值做比较,输出PWM信号控制软管泵中电机的转速,实现闭环控制。系统采用腾讯云平台、服务器、数据库与客户端作为远程监控系统的框架,触摸屏将收集到的施肥数据通过4G网络发送给服务器,服务器接收数据并发送给数据库,数据库负责收集、整理与保存施肥数据,客户端将接收到的施肥数据展示给用户。试验结果表明:相较于传统的施肥方法,采用PID算法的施肥闭环控制系统有效降低了软管泵作为施肥驱动机构带来的脉冲性,提高了施肥精度,满足了现代农业对精量施肥的要求,达到了精准施肥的目的。

航天器用丙烯环路热管的研究现状与展望

环路热管是一种依靠毛细力驱动的高效两相传热装置,可解决高精度控温、大功率、远距离热传输等热控难题,广泛应用于各航天器。目前,大功率的航天器平台(例如新一代大功率通信卫星等)在存储或故障工况下,为维持辐射器生存温度需额外消耗能源,补偿较大的加热功率;木星系、太阳系边际等深空探测任务要求热控系统拓展其低温适应性。上述空间任务对具有低温适应性的丙烯环路热管技术提出了迫切需求。相比常用的氨工质,丙烯具有低冰点(–185℃)特性,丙烯工质环路热管可在低温下存储和运行,空间应用时不存在冻结风险(航天器辐射器温度一般不低于–150℃),无需额外补偿加热,提高了热控系统的低温适应性和可靠性。本文分析了丙烯环路热管的理论建模、稳态性能和动态特性实验研究现状及典型空间应用形式,对未来研究工作提出了建议。

一种新型环路重力热管的数值模拟和性能优化

研究了一种新型的环路重力热管(LGHP),并提出一种基于VOF方法的简化两相流数值模型,能够有效地模拟热管蒸发器内部气泡的产生和干涸区的位置,从而研究蒸发器内部工质的流动特性。在数值模拟的基础上改进了蒸发器的流道结构,以延缓水平放置时蒸发器干涸区的出现。通过实验验证发现改进后蒸发器的传热性能得到了很大的提高,蒸发器中制冷剂的液相积存量得以提升,使其极限热通量(CHF)提高到140 kW/m2(加热功率2000.7 W),为改进前CHF的两倍。证明该简化模型在模拟干涸区位置方面具有准确性,可以为进一步的设计和改进平板蒸发器流道结构提供参考。

基于环路热管的航天器可折叠辐射散热器设计

航天器废热排放问题是制约其有效载荷容纳量增长的主要因素。文章针对目前可折叠辐射散热器折展比低的问题,设计基于环路热管的航天器可折叠辐射散热器,提出了一种基于对称六连杆Waldron机构设计的高折展比折叠方案,采用柔性环路热管作为热量收集和传递单元,实现辐射可动板间的柔性连接。通过对1/8等比样机的仿真数值模拟和试验研究,分析了基于环路热管的可折叠辐射散热器的传热特性。研究结果显示:该样机最大可传输200 W热量,展开后可获得更大的散热面积。