基于混合對(duì)流傳熱的航天器熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)溫度場(chǎng)特性及其控制規(guī)律研究.pdf

1、在地面上進(jìn)行的空間環(huán)境試驗(yàn)是檢驗(yàn)和保證航天器可靠性的重要手段。在航天器的熱試驗(yàn)方面，常壓下的熱循環(huán)試驗(yàn)因其在試驗(yàn)周期和成本上相對(duì)于傳統(tǒng)熱真空試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)而在近幾年被世界各航天大國(guó)所重視。隨著航天工程的飛速發(fā)展，航天器的尺寸逐漸趨于大型化，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的要求也越來(lái)越高。這對(duì)更高性能航天器熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)的研制提出了緊迫的需求，也對(duì)高低溫環(huán)境溫度場(chǎng)的控制理論和技術(shù)提出了更高的要求。針對(duì)這些問(wèn)題，本文從方法研究、機(jī)理研究、應(yīng)用研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化運(yùn)

2、行五個(gè)層面逐步展開(kāi)研究，形成了一套基于混合對(duì)流傳熱的航天器熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)溫度場(chǎng)控制理論。具體如下。
　　首先，以小型或組件級(jí)航天器熱循環(huán)試驗(yàn)空間為應(yīng)用對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬，分析了三維豎直通道內(nèi)層流混合對(duì)流傳熱過(guò)程的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、溫度分布、傳熱特性以及熵產(chǎn)特性。揭示了在同向以及反向浮升力混合對(duì)流傳熱條件下回流現(xiàn)象發(fā)生的臨界參數(shù)，并將現(xiàn)有的混合對(duì)流回流機(jī)理研究從二維擴(kuò)展到了三維模型。同時(shí)，明確了該回流現(xiàn)象對(duì)溫度場(chǎng)、壁面?zhèn)鳠嵋约跋到y(tǒng)熵產(chǎn)的作用

3、關(guān)系，并得出了相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式。
　　然后，針對(duì)在Rayleigh數(shù)Ra>1012的湍流混合對(duì)流數(shù)值模型準(zhǔn)確性不明確問(wèn)題，設(shè)計(jì)了湍流混合對(duì)流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并將其用于湍流模型的準(zhǔn)確度檢驗(yàn)。利用熱線傳感器和鉑熱電阻對(duì)測(cè)試平面上的速度、溫度進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，以獲得流場(chǎng)在空間上的時(shí)均分布和隨時(shí)間的脈動(dòng)信息。采用三種湍流模型：RNG k-ε模型、L-B低Re數(shù)k-ε模型和SST k-ω模型，對(duì)強(qiáng)浮升力湍流混合對(duì)流傳熱的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)

4、果中的時(shí)均速度、時(shí)均溫度以及湍流度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)L-B低Re數(shù)k-ε模型較其他模型能獲得更精確的結(jié)果。
　　繼而，利用L-B低Re數(shù)k-ε湍流模型，進(jìn)行了特征尺寸為10 m的豎直通道內(nèi)湍流混合對(duì)流傳熱的研究。分析了在不同方向浮升力下的回流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和溫度場(chǎng)分布，從而將混合對(duì)流傳熱的回流特性研究從層流擴(kuò)展到大空間湍流。通過(guò)對(duì)溫度分布的分析發(fā)現(xiàn)，由于同向浮升力產(chǎn)生的回流會(huì)導(dǎo)致豎直方向的溫度分層，其溫度均勻度遠(yuǎn)差于反向浮升力混合對(duì)流的情況

5、。進(jìn)一步地，定量分析了在反向混合對(duì)流時(shí)不同的送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度和形狀參數(shù)下通道內(nèi)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差和熵產(chǎn)數(shù)，并給出了其相互間的關(guān)聯(lián)式，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。此外，對(duì)熵產(chǎn)的研究表明，對(duì)于大空間湍流混合對(duì)流過(guò)程，由傳熱產(chǎn)生的熵產(chǎn)要遠(yuǎn)大于由摩擦阻力產(chǎn)生的熵產(chǎn)（數(shù)量級(jí)相差104以上），因此后者是可以忽略的。
　　進(jìn)而，設(shè)計(jì)了基于反向混合對(duì)流傳熱的大型航天器熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)循環(huán)流程。針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)固體壁面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，確定了基于固體導(dǎo)熱零維參數(shù)模

6、型和混合對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式相互迭代的運(yùn)行參數(shù)確定方法。此外，提出了一種從目標(biāo)溫度出發(fā)，基于熵產(chǎn)最小化（EGM）和溫度均勻度最佳化（TDM）的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化方法。另一方面，在實(shí)際大型航天器熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)下的溫度均勻度能滿足航天器熱循環(huán)試驗(yàn)的要求。通過(guò)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比表明，本文所采用的基于模化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_定的湍流混合對(duì)流模擬方法以及采用的簡(jiǎn)化邊界條件能滿足實(shí)際大型熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)溫度場(chǎng)優(yōu)化的要求