基于增强协同与减少耗散的对流传热强化理论研究

对流传热具有守恒、协同和耗散三大特性,揭示其内在联系与基本规律对发展对流传热强化理论意义重大.本文基于能量和动量传输的本构和守恒关系,全面审视对流传热的多场协同与不可逆耗散机制,分析流体传热、耗功及惯性协同角之间的相互关系,提出反映对流传热不可逆耗散的热效率和?效率,探索基于增强协同与减少耗散的对流传热强化理论.基于此,提出一种V型复合肋槽强化传热管并进行湍流换热计算模拟.研究发现:与光滑圆管相比,在管壁形成V型复合肋槽可减小强化管的传热和惯性平均协同角,热效率和?效率分别超过92%和34%,性能和效能评价系数分别为1.22～1.69和0.53～1.07.     

不同真空度下多层隔热组件传热性能的实验研究

针对月地高速再入返回飞行器在轨面临长期中真空环境的特殊挑战,热控设计需要评估不同真空度下多层隔热组件的传热性能差异.采用一维绝热型边界测试方法,对5单元、10单元、15单元与20单元多层隔热组件,在0.001~10000 Pa开展了传热性能的实验研究.根据测试数据,计算了不同真空度下的当量导热系数,在整器热分析模型中优选当量导热系数来计算整器温度水平,并利用正样热平衡试验和在轨温度遥测值验证了该方法的正确性.本文的测试结果不仅可为返回器提供基础数据,还可成为多层隔热组件不同真空条件下航天器热设计、热分析的重要依据.     

基于协同与耗散的能质传输理论

本文聚焦热力学流和力的本构关系,揭示能质守恒方程中热流、质流、功流和动量流的扩散机制,协同方程中热力学力的协同机制,以及平衡方程中热力学流的耗散机制.通过考察多物理场的相互作用,建立流体传热、传质、耗功以及动量传输之间的协同关系.通过分析传输过程的能质耗散,表征热、质、功和动能的传输损失和传递效率.最终提出宏观能质输运统一方程组,架构基于协同和耗散的能质传输理论体系.     

多介质板式换热器试验研究与分析

对一种基于Alpha magnetic spectrometer（AMS）热系统研究与设计自主开发的能够实现多介质换热的新型板式换热器进行了试验研究与分析.该种新型换热器的换热板片由凸球面和凹球面构成不连续波纹,其换热性能优于BR1型人字形板式换热器,阻力特性明显优于目前常用的60°人字形板式换热器.本文分析了球面波纹强化传热的机理,认为球面波纹能够减小局部场协同角,提高了板间流场与温度场的协同程度.     

采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中,开发了气热耦合数值计算方法,并对其进行了可靠性验证．对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测,评估其气动与传热特性．针对网络分析结果,提出3种改进措施,即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构．通过全三维燃气．固体叶片一冷却气流耦合计算验证,指出改型设计降低了叶片表面最高温度,整体温度分布更加均匀,冷气入口参数匹配合理．结果表明,计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期．     

天问一号火星探测器气动热防护系统设计与实现

本文采用基于热解层模型的烧蚀热响应计算方法,对轻质防热材料的烧蚀机理进行分析,预测了防热材料在火星气动热环境下的烧蚀、热解及传热特性.开展地面风洞试验设计,获取了多状态下的防热材料烧蚀数据.通过与地面试验数据的比对分析,对烧蚀传热计算模型中的不确定性参数进行了修正,最终确定了气动热防护系统的设计状态.飞行任务表明,天问...     

新型矩阵式微射流热沉性能分析

设计一种带有回流结构的矩阵式微射流热沉,采用实验和数值模拟方法对热沉性能进行了研究.在稳态条件下,获得了不同运行和结构参数时被冷却表面的温度分布、流体的速度场以及系统压损.结果表明:冲击距离对热沉性能影响较大,其值越小,平均努赛尔数越大,被冷却表面的平均温度越低,换热均匀性越好;被冷却表面平均温度与气体体积流量成反比;系统压损随着射流雷诺数的增大不断增大,雷诺数大于5500以后,压损急剧增加;换热均匀性与气体体积流量成反比,气体体积流量越大,换热均匀性越好.     

有效能消耗系数及其与熵产数和耗散数的比较

提出用不可逆过程的有效能消耗系数表征不可逆过程的不可逆度,建立了不可逆度与热力系统的热效率和热泵系统的性能系数关系式.举例与熵产率、熵产数、耗散率及耗散数进行了比较.结果表明对于不考虑功量消耗的不可逆过程,有效能消耗系数、耗散数和修正熵产数,都能表示过程的不可逆性,三者的趋势相同,而采用Bejan定义的熵产数则出现"熵产悖论",同时有效能消耗系数的倒数可作为传热过程的传热效率.因此,有效能消耗系数适用于表征热/功转换、功/热转换、热输运各环节的不可逆度,更具有普适性.     

月地高速再入返回器热控设计及实现

针对月地高速再入返回器不同阶段大功率散热、小功率保温与高速返回过程中高温隔热之间的突出矛盾,以及狭小、局促空间内设备热量的收集、传输、排散与阻断等技术难题,首次构建一种基于柔性自适应"热开关"的小型再入返回类航天器热控体系,成功研制出一套基于异构式环路热管的一体化柔性、高效热管理系统.在轨飞行数据表明:核心热控产品环路热管控温运行模式下实际传热能力超过65 W,阻断模式下漏热量小于2 W,"热导比"大于30,能够很好地实现"热开关"功能,确保了返回器所有设备的温度水平优于指标要求.     

基于DES的叶片前缘气冷却的数值拟

为了评估弯曲冷却孔通道对涡轮叶片前缘冷却效率和流动结构的影响,本文采用分离涡拟（DES,Detached Eddy Simulation）方法,在全局吹风比M=0.7的条件下对AGTB涡轮叶栅进行了数值拟研究.直冷却孔和弯曲冷却孔被分别布置于叶片近前缘的吸力面侧和压力面侧.着重分析讨论了冷却孔附近区域的湍流场结构、顺压梯度对湍流场结构的影响、以及壁面冷却效率分布.数值结果显示,弯曲冷却孔通道对提高气冷却效率具有积极的作用.在吸力面侧,弯曲冷却孔的冷却效率比直孔的冷却效率提高了约82%,压力面侧提高了约77%.     

基于PIV技术的温度敏感型磁流体无泵流回路的实验研究

建立了温度敏感型磁流体无泵流冷却回路实验系统，采用粒子示踪测速技术（PIV）对整个回路中的流场进行了测量，实验研究了不同加热、冷却功率下回路的流动传热性能，分析了磁场及温度场的协同作用对回路性能的影响．结果显示：温度敏感型磁流体在外加适当磁场及温差时可以持续流动，将热量从热端传递到冷端并循环工作；系统冷却性能受到磁场及温度场的协同作用影响．     

变壁温管内对流换热场协同优化分析

采用分析方法, 求解了壁面热流呈指数变化的圆管内层流热入口段的换热. 结果表明, 换热系数与壁温沿轴向的温度梯度直接相关, 轴向壁温梯度越大, 换热就越强. 进而, 分析讨论了壁面热流不同变化情况下, 充分发展段的场协同度. 通过分析场协同度和对流换热系数的对应关系, 验证了场协同原理的正确性, 也表明优化热边界条件是提高场协同度、从而实现强化换热的途径之一.     

机械密封端面间液膜摩擦热的传热规律

建立了由机械密封的动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统,研究了液膜摩擦热的传热规律．影响传热规律的主要因素有密封环对介质的给热系数、摩擦热流密度和摩擦热的分配系数等．推导了密封环与液膜的温度分布方程,在考虑液膜黏度随温度变化的基础上,对液膜的摩擦热和密封环的热变形进行了耦合分析,确定了变形端面之间的夹角．研究表明,液膜摩擦热对液膜特性和密封性能的影响显著,其不仅改变了端面间的间隙形式,而且使液膜黏度减小,导致泄漏率增加．传热系统的最高温度位于液膜内径处,绝大部分摩擦热通过动环传递到介质中．依据提出的传热分析方法,可确定密封环的最佳几何尺寸并选择合适的密封环材料．     

基于多物理场耦合计算的正六边形微通道热沉构形研究

提出了新的微通道正六边形热沉分别在无回流、边缘回流和中心回流3种回流方式下4种通道结构的设计原型,基于热-流-力-应变的多物理场耦合计算,研究了回流方式、微通道分支数和微通道分布演化对正六边形热沉的最大热阻和基于耗散的当量热阻的影响,并进行了热应力和形变分析.数值计算结果表明:以最大热阻最小化和当量热阻最小化为目标, 3种回流方式中的中心回流式为最佳回流方式,中心回流式六分支微通道正六边形热沉按上层微通道沿六边形内切圆半径分布、下层微通道沿六边形外接圆半径分布为最优构形,可使传热性能最优,且最大热应力为0.28 GPa,比硅的屈服强度小1个数量级以上,最大形变为1.4μm.所得结果可为实际微通道热沉提供多学科设计的理论支撑.     

矩形液池中热毛细对流起振过程的数值模拟

本文数值研究微重力条件下浅液池中大Pr数流体(Pr=105.6)热毛细对流的转捩过程.当液池两侧的温度差超过临界温度差时,在液池中会出现热毛细振荡对流.振荡对流的涨落值远小于时间平均值,涨落值表现为从冷端向热端传播的热流体波.起振时,涨落值的胞元分布在液层的中心区域;随着外加温度差的增加,涨落值的胞元逐渐充满液层.本文的结果显示了有限延伸矩形容器液层中热毛细对流及其起振过程与其它类型热毛细对流不同的特征.     

基于广义传热定律的传热与热功转换优化

基于广义传热定律,本文分别从熵产和（火积）损失的角度对简单的传热过程与热功转换过程进行了优化,对熵产和（火积）损失的概念在上述过程优化中的适用性进行了讨论分析.研究表明,对于传热过程,（火积）损失率就是（火积）耗散率,该概念可有效优化传热过程.然而,在给定传热温差时,最大传热量不与最小熵产率对应,因此熵产最小化方法不一定适用于传热优化.对于热功转换过程,最大（火积）损失率和最小熵产率同时与系统最大输出功率对应.因此熵产最小化方法和（火积）理论均可用于优化本文讨论的热功转换过程.     

青藏铁路块石夹层路基结构的冷却作用机理

为研究块石夹层路基结构的冷却作用机理, 建立了开放和封闭状态下块石夹层路基结构试验段, 获得了一个冻融循环的监测资料. 研究结果表明, 开放状态下冬半年块石层内温度场主要表现为强迫对流效应; 当风速减小时, 靠近坡脚处块石层内能产生微弱的空气对流效应; 夏半年块石层以热传导过程为主. 封闭状态下, 由于阻断了风的影响, 块石层内强迫对流效应减弱, 全年基本以热传导过程为主. 块石夹层路基结构对路基下部土体产生的冷却作用机理主要为强迫对流效应加微弱的空气自由对流效应, 其过程和冷却作用强度主要与风速和风向有关. 由于冷却作用机理的差异, 开放和封闭状态块石层对路基下部土体的冷却作用要相差2~4℃.     

层流下潜热型功能流体在内嵌圆柱圆管中的传热特性数值模拟分析

采用等效比热法对功能流体在光滑直圆管和三种内嵌同轴圆柱的圆管内的流动和传热特性进行了数值模拟,并利用场协同理论对流场进行了分析．结果表明,在内嵌同轴圆柱的圆管中,功能流体的传热效果随着Ste数的减小而增大,这与功能流体在光滑直圆管中流动的情况类似,但是与光滑直圆管相比,功能流体在内嵌同轴圆柱的圆管内流动可以明显的提高换热能力,且换热强化随着内嵌圆柱的直径增加而增加,但功耗也明显增加．     

青藏铁路主动冷却路基的工程效果

在全球变暖的背景下,高温冻土区的建筑必须改变单纯依靠热阻（增加路堤高度、采用保温材料）的消极“保”温方法,而采用“冷却路基”的积极“降”温措施．通过局地因素对多年冻土分布影响的分析得到如下启示：可以通过改变路基的结构和填料调控传热,以达到冷却路基的目的．青藏铁路的实践表明：通过遮阳板调控辐射,通过块石层、通风管、热管调控对流,通过“热半导体”材料调控传导,通过这些调控方式的组合,均可有效地降低路基下多年冻土的地温,保证路基的稳定．冷却路基方法是高温冻土区工程建筑应对全球转暖的有效措施．     

基于煅耗散率最小的叶形肋片构形优化

基于构形理论,以熄耗散率最小（总热流一定时,即当量热阻最小）为优化目标,对叶形肋片进行构形优化,得到无量纲当量热阻最小时的叶形肋片最优构形．结果表明：存在最佳单元级肋片数使得一级叶形肋片整体导热性能取得最优．毕渥数对最佳单元级肋片数、最佳单元级和一级叶形肋片长宽比几乎没有影响;随着叶脉和叶片热导率之比的增大,最佳单元级肋片数和单元级叶形肋片最佳长宽比增大,一级叶形肋片最优外形更粗短;煅耗散率最小和最大温差最小的叶形肋片最优构形是明显不同的,熄耗散率最小的无量纲当量热阻比最大温差最小对应的无量纲当量热阻降低了11．54％,能有效地改善叶形肋片整体导热性能．在相同单元级和一级叶形肋片体积条件下,一级叶形肋片最小无量纲当量热阻比单元级叶形肋片最小无量纲当量热阻降低了30．10％,一级叶形肋片整体导热性能明显优于单元级叶形肋片整体传热性能,其本质上在于煅耗散率最小的一级叶形肋片的温度梯度场比单元级叶形肋片的温度梯度场更均匀．基于煨耗散率定义的当量热阻反映了叶形肋片的平均散热性能,能从传热优化角度为肋片热优化设计提供参考．