低温液氮冷屏蔽系统空间运行状态数值模拟研究

发布时间：2021-02-28 16:42

　　为了研究获得空间微重力、冷背景环境下液氮"冷屏蔽系统"低温相变制冷机制,建立了高超音速飞行器空间冷屏蔽系统低温流体流动制冷数值模型,并对系统在过冷状态、饱和状态、过热状态三种工况下的流动特性进行了系统的分析设计,对冷屏蔽系统经历复杂环境时的表面温度、系统压力及分布规律进行了数值模拟研究。结果表明:可以通过数值模拟获得空间冷背景状态下冷屏蔽系统在过冷、饱和及过热三种状态下的表面参数分布规律;可以通过改变系统的进口状态参数来控制系统压力以及冷屏外壁的表面温度,以此降低表面红外辐射强度;饱和状态参数更能满足系统材料低温强度要求及空间低温红外辐射强度的控制要求。 

【文章来源】：真空与低温. 2020,26(03)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

冷屏蔽系统的工作原理示意图

过冷状态为：进口压力101.325 kPa，温度75.355K，进口流速0.2 m/s，出口压力12.52 kPa，温度63.151 K，热流密度为2 kW/m2。对该状态下冷屏蔽系统的流场（1 200 s）进行数值模拟结果如图2、3和表1所示。图3 过冷状态下各参数沿内表面的变化图

图2 过冷状态下三维流体参数沿冷屏内表面分布图当系统达到稳定后，内表面的压力分布均匀，大部分压力接近12.518 kPa，且各部分之间的压差很小，如图2(a）和图3(a）所示。当控制冷屏内部压力稳定时系统表面温度变化较大，除进出口温度维持在77.4 K，其余大部分温度均大于110 K，如图2(b）所示，不满足冷屏蔽系统表面温度要求。由图3(b）可知，温度突然下降，主要原因是当液体过冷时，由于液体的过冷度，传质方向从气相到液相，蒸发的气泡在过冷液体中很快被冷凝。当系统运行稳定后，系统内的气体体积不断增加，除靠近进口附近密度有一定变化外，其他区域密度变化较小，如图3(c）所示。由表1可知，内表面温度较高，最大值为408.9 K，液氮进入系统内立刻蒸发为氮气，密度也随即减小，氮气的体积分数瞬间增大，由于氮气充满整个系统，以至于整个系统的压力较为稳定。

【参考文献】：
期刊论文
[1]NASA低温推进剂长期在轨贮存与传输技术验证及启示[J]. 张少华,曹岭,刘海飞,贲勋,申麟.  导弹与航天运载技术. 2017(03)
[2]空间低温冷罩地面试验设备的研制[J]. 王丽红,陈光奇,温永刚,董亮.  真空. 2013(06)
[3]空间冷屏表面温度分布实验研究[J]. 陈叔平,谢福寿,谭风光,温永刚,陈光奇.  红外与激光工程. 2012(06)
[4]双压控制减压节流阀的数值模拟及试验[J]. 张周卫,张国珍,周文和,陈光奇,潘雁频.  机械工程学报. 2010(22)
[5]液氮过冷沸腾壁面换热特性的数值研究[J]. 王斯民,厉彦忠,文键.  化学工程. 2009(05)
[6]低温冷屏蔽系统流场数值模拟研究[J]. 张周卫,陈光奇,厉彦忠,汪雅红.  石油化工设备. 2009(01)
[7]多孔介质材料在低温下的传热特性实验研究[J]. 温永刚,陈光奇.  真空与低温. 2007(02)

硕士论文
[1]空间目标红外辐射特性测量方法研究[D]. 郭汉洲.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2016



本文编号：3056143