（流体力学专业论文）空间热控制系统部件箱的传热特性数值模拟研究.pdf

空间热控制系统部件箱的传热特性 数值模拟研究 专业：流体力学 硕士生：余凯伦 指导教师：郭开华教授 摘要 随着不同航天器任务的发展，热负荷增加，以及对部件温度精度和稳定度的要求 的提高，传统的被动热控和主动热控技术往往不能有效地完成热控要求，两相主动热 控技术是今后航天热控技术的趋势。 本文以一个空问探测器的两相主动热控制系统的部件箱及其部件作为研究对象， 应用有限元分析的方法对箱体和部件在冷、热工况的温度场进行仿真分析；解出在不 同极端工况下的温度场分布；分析部件间的传热特性，同时对部件间的接触热阻进行 了敏感性分析。 分析结果表明：热控制箱体在冷、热工况下各部件的温度在工作范围内；通过部 件与连接板的敏感性分析可知，无内流体的部件温度随着其与连接板的热导增加，温 度变化明显，有内流体的部件温度随着其与连接板的热导增加，温度变化不大；系统 在极端工作环境下，各部件的温度在生存温度范围内。 本课题通过对大型c a d 软件i d e a s 的开发应用，不仅探索出了卜d e a s 软件用于 解决复杂工程问题的方法及应用特点，而且通过具体应用为航天热设计提供重要参 考。 关键字：主动热控，a m s0 2 ，i d e a s ，传热，数值模拟 s i m u l a t i o no nh e a tt r a n s f e r c h a r a c a t e r i s t l c so fc o m p o n e n t b o xlnas p a c e t h e r m a lc o n t r o ls y s t e m m a j o r ： n a m e f l u i dm e c h a n i c s k a i l u ny u s u p e r v i s o r ：k a i h u ag u o a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n tt h es p a c e c r a f tm i s s i o n s ，t h eh e a t1 0 a d so f t h ec r a f tb e c o m eh i g h e r a n dh i g h e ra n dt h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fi t st e m p e r a t u r ec o n t r o ln e e dt ob ei m p r o v e d t h et r a d k i o n a lp a s s i v ea n da c t i v et h e r m a lc o n t r o lt e c h n i q u e sa r cu n a b l et om e e tt h et a r g e t at r e n di nd e v e l o p m e n ti st w o p h a s ea c t i v et h e r m a lc o n t r o lt e c h n o l o g y i nt h i ss t u d y i d e a s w h i c hi sc o m m e r c i a lf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，h a sb eu s e dt os i m u l a t et h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ec o m p o n e n tb o xo faa c t i v et w o p h a s et h e r m a lc o n t r o l s y s t e m t h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ew a y so f t h e r m a lc o n n e c t i o n t h ec o n t a c tr e s i s t a n c e s a n dt h e i rs e n s i t i v i t i e su n d e rd i f f e r e n tc o l da n dh o tc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h er e s u l t so f t h ea n a l y s i ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r e so f c o m p o n e n t sa r ei nt h ew o r k i n g t e m p e r a t u r er a n g ea tt h e h o t t e s ta n dt h ec o l d e s tw o r k i n ge n v i r o n m e n t s at h r o u 曲s e n s i t i v i t y a n a l y s i sf o rt h et h e r m a lc o n d u c t i o nb e t w e e nt h ec o m p o n e n t sa n dp l a t e s ，t h et e m p e r a t u r eo f c o m p o n e n t sw h i c hh a v en o th e a tt r a n s f e rw i t hl i q u i dd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e m e n to f t h e r m a lc o n d u c t i o n 。t h et e m p e r a t u r e so fc o m p o n e n t sa r ei ns u r v i v a lt e m p e r a t u r er a n g e t h r o u g h tt h es a f e t ya n a l y s i s t h i ss t u d ya l s op r o v i d e sam e t h o dt oa p p l yi - d e a st os o l v el a r g ea n dc o m p l i c a t es p a c e t h e r m a lp r o b l e m s a n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sc a nb eu s e da sar e f e r e n c ef o rs p a c et h e r m a l d e s i g n s k e y w o r d s ：a c t i v i t yt h e r m a lc o n t r o l ，s y s t e m ，a m s 一0 2 ，i - d e a s ，h e a tt r a n s f e r , s i m u l a t i o n 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 热传递是人类生产和生活中最常见的自然现象之一。随着现代科学技术的发展，传 热学在工程技术领域应用广泛。在电子技术中，大功率电子设备和高热流密度电子器件 的散热问题；在环境、化工、冶金和动力机械等部门中，广泛的使用热力设备的设计、 制造、运行和经济效益的提高问题：在导弹和运载火箭技术中，各种固、液发动机的冷 却问题和再入防热问题；在极其恶劣的太空环境中，卫星和载人航天器的热控制和生命 保障问题都要用传热的知识来解决。 传热学的研究解决了现代工业生产和科学技术发展中与热传递有关的技术问题，推 动了现代科学的发展，而随着现代科学的进步，对传热提出了新的研究课题，也为传热 学的研究提供了更有力的手段，进步推动力传热学学科的迅速发展。 航天器的热控制航天器热控制( 又称温度控制) ，是随着航天技术发展起来的一门综 合多学科的新技术，是任何航天器必不可少的技术保障系统之一。它涉及材料学、热学、 计算数学、化学、光学、流体力学、电子学、计算机科学以及试验测量技术等诸多学科 领域。它的任务是通过合理组织航天器内部和外部的热交换过程，使航天器各部位的温 度处于任务所要求的范围内，为航天器的仪器设备正常工作，提供良好的温度环境“。 自从前苏联于1 9 5 7 年成功发射人类第一颗人造地球卫星以来，航天器经历由小到 大、由轻到重、由低功率到高功率、由简单到复杂、由不载人到载人、由绕地飞行到深 空探测的发展历程。同时对航天器热控制提出了更高的要求，促进了航天器热控制技术 的发展。从早期的被动热控方法如涂层、多层隔热材料、热管、电加热器件、导热填料、 百叶窗、热敏电阻器到具有更强换热能力、控温更精确地主动式热控制方法如气体循环 对流热控系统、流体循环热控制系统、两相流体热控制等。这些为航天器完成各种任务， 提供了多种可供选择的、可靠的手段。 国际a l p h a 磁谱仪a m s 一0 2 是由诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授领导研制，用于在空 间探测反物质的科学研究装置。该项目由十多个国家的科研院所参加的大型国际科研项 目。a m s 一0 2 将于2 0 0 8 年0 9 月发射至国际空间站，外形尺寸约为3 x 3 x 3m ，运行时 间为3 年。a m s 一0 2 由多个科学探测设备组成，其中的深低温大型超导磁体最为世人瞩目， 带有2 吨多的液氦将磁体冷却到2 1 8 k 。 为了探测反物质，超导磁体内部，共有8 层2 0 0 多个硅微条探测器以及分布在其周 围的电子线路板，硅微条基本不发热，但电子线路板的总发热量为1 4 4 w ，为了避免该 热量影响到超导磁体的冷却，要求将其所有的热量运输到外部，通过辐射排向空间，并 控制内部硅微条的温度在1 0 2 5 c 范围，温度稳定度在3 k 每个轨道周期；各硅片之间 的温差不大于1 ，各电子线路板之间的温差在i o c 以内【3 1 。 传统的被动热控技术以及单相回路技术很难满足上述技术要求，因此该系统首次采 用泵驱动的两相冷却回路技术。本文采用有限元软件对该热控制系统的热控箱体和部件 的传热特性进行分析模拟，计算出在冷、热工况下，系统部件的温度分布特性，选用合 理的部件热连接，对整个硅微条探测器的散热控制系统的设计验证是很有意义的。 1 2空间热控的发展现状 航天器热控制系统根据其任务要求不同，分为四个不同的技术要求： 1 、常温要求。为了更容易和便捷的获得仪器设备，一般选用按照地面设计的零部件。 从可靠性角度考虑，n a s a 要求设备能在一1 5 1 5 的范围内正常工作，而且，验收范 围要在高低温两端各扩大到- 2 4 6 1 c “”啪。随着大型航天器的发展，需要排放的热 量可达到几十千瓦到数百千瓦，高集成的电子功率器件的热流密度可高达l o o w c m 2 ”1 。高热量和高热流密度的散热技术是热控制系统的重要课题。 2 、低温要求。对某些特殊仪器如红外探测器、天文望远镜等为了减小背景热噪声， 要求很低的探测器聚焦平面温度。美国红外天文卫星( i r a s ) 嗍，焦平面温度为2 2 k 。 3 、恒温要求。对某些设备其工作温度要求一个恒定的温度，光学相机要求其周围的 空气温度在1 5 0 2 c ”“”。 4 、温度均匀性要求。对一些要求极高结构稳定性的设备，必须严格控制其热应力引 起的变形，对设备温度均匀性要求极高。空间望远镜体积庞大，但其温度均匀性要求 在l 以内n 1 1 。 对以上四种不同的热控要求，航天热控主要分为被动熟控和主动热控两种。 1 2 1 被动热控技术 被动热控技术是航天器热控制的基础。任何航天器都不可避免地要采用一种或者多 种被动热控技术。被动热控主要依靠合理的航天器总体布局，选用不同的热控硬件，正 确组织航天器内外的热交换过程，使航天器的结构部件、仪器设备在高低温工况下都不 超出允许的温度范围。被动式热控制本身没有自动调节温度的能力，但它简单可靠，是 热控制的主要手段。一般常用的技术有： 1 、热控涂层： 在航天器外壳表面覆盖特殊的温控涂层，以降低表面的太阳吸收率与热辐射率比值， 这是航天器常用的热控制技术。常用有白漆、黑漆，阳极氧化涂层( 铝表面的氧化层， 对可见光透明，但对红外辐射有较强的吸收作用) ；使用在空间站辐射器中的热控涂层 应该具有低吸收一发射比( 口s r ) 即低太阳吸收比和高发射率。同时美国对用于空间 站辐射器中的热控涂层还有严格的寿命要求，涂层的地面存储寿命要达n l o 年，涂层在 低地球轨道环境中的运行寿命要达n 3 0 年“”。满足上述要求的低口s f 型热控涂层可以 分为以下三个方面：( 1 ) 白漆：( 2 ) 二次表面镜型涂层( 3 ) 陶瓷类保护涂层。其中，白漆类涂 层包括z 9 3 、y b 一7 1 和s 1 3 g l o 一1 ：二次表面镜型涂层包括镀银f q 6 薄膜和光学太阳 反射器( 0 s r ) ：陶瓷类涂层即硫酸阳极化处理的铝阳极氧化涂层。 f 我国热控涂层的研制工作始于6 0 年代中期，虽然3 0 多年来取得了很大的成就，但热控 涂层在空间环境下的退化仍然影响着我国航天器的正常工作和寿命。特别是在我国发展 空自j 站的计划项目中，研制开发空间稳定性好，长寿命的热控涂层已经成为我国航天器 热控设计部门和热控涂层研制生产部门所急需解决的课题“”1 。 2 、热管 自1 9 6 4 年美国人g m g r o v e r 发明热管以来“”，热管在热能工程技术领域获得广 泛应用。在航天领域，热管已成为航天器热控制的一项重要技术和手段。可以说，任何 一种先进技术卫星和大功率卫星无不采用热管的。在外壳不同部位或仪器之间布置热管， 把热端的热量导向冷端，减少部件、仪器之间的温度差；热管是一种靠工质的蒸发、凝 结和循环流动而传递热量的器械。由于蒸发、凝结的热阻很小，如果蒸汽流动的温降很 小，那么热管就可以在小温差下传递很大的热流。管内液体回流是由毛细结构的毛细作 用力完成，既没有运动部件又不需消耗能量，因此运行可靠、结构紧凑。 图卜1 所示为典型的管式热管的结构示意图“”，外层是一个密封的容器壳体，沿管 的内壁铺设有一定厚度的毛细材料( 若干层金属网) 。热管中的这些毛细材料又称为管 芯。在管芯的毛细孔隙中充满着液态工质( 如水) ，管芯的空间为蒸汽通路，充满着饱和 液相工质蒸汽。 盖 墙 馨 耋 - l t r ”t _ j t k x x * x x * x x * j e ( 燃 jj 芸；：氨墨l 搭 辚 辚药蓦净挈法痨蠡擎s 缫冀 图l - i 热管原理示意图 文献0 7 1 8 对使用氨、丙酮和氮三种工质的轴向槽热管进行了研究。结果表明， 轴向槽热管具有较高的传热能力和低的热阻，且其结构简单、制造容易、可靠性高：以 氨为工质的热管性能优于丙酮工质热管。丙酮热管在2 0 c 以上才有良好的性能；重力 场对氨热管的工作影响大，这种热管适合于零重力场。 八十年代，我国成功的解决了热管与铝蜂窝仪器安装板复合技术难题，极大地扩展 了热管在航天器上的应用范围。目前，大功率行波管、温度均匀性要求高的镍镉电池、 仪器安装板的均温化等都采用热管预埋技术，大大提高了热控能力，如九十年代我国发 射成功的东方红三号，风云二号、实践五号、资源一号、资源二号、中星2 2 号、北斗一 号等卫星都采用热管预埋技术，取得非常好的效果嘲。我国的热管及其应用技术已经成 熟，达到国际先进水平。 影响热管寿命的主要因素是热管管材与工质的相容性、工质的纯度、热管加工制造 过程中对杂质和多余物的控制程度( 清洗工艺、清沈效果) 及热管封装质量。文献 1 9 2 0 对我国七十年代和九十年代生产的铝氨轴向槽热管的2 4 年和8 年寿命试验结 果进行了评价。研究指出，对铝氨热管来讲，热管的清洗工艺和清沈效果对热管寿命有 很大影响，清洗不彻底是铝氨热管产生不凝气体的主要原因。 3 、多层隔热材料 在仪器或部件表面包裹多层隔热材料或低辐射率涂层，防止热量散失或阻隔其他热 源；在航天器的热控系统中，常常需要对某些仪器设备或部件、蒙皮采取保温措施，尽 可能地减少其热量散失以控制其工作温度。有时情况正相反，需要防止高温热源或波动 的热环境对仪器设备或部件的影响，即要求尽可能地减少热量流入这些特定的器械。在 诸如此类情况下，都需采取隔热措施。 反射弊 q 一 t23 图1 - 2 多层隔热材料原理与实物图 一般多层隔热材料由一层镀铝薄膜和一层问隔材料组成，镀铝薄膜层起着辐射隔离 作用，间隔层起着增加层间热阻作用。为了尽快排除多层隔热材料层间的残余气体，大 多数多层隔热材料的反射屏镀铝薄膜上都打有小孔。文献 2 13 报导了打孔对多层隔热材 料热性能的影响，指出打孔可以加快层间的排气过程，使多层隔热材料尽快达到其优良 的隔热性能。文献 2 2 报导了在风云一号气象卫星，多层隔热材料开孔率为0 6 和 1 2 。前者用于星体外表面和星外设备的多层，后者用于辐射致冷器多层，放气孔直 径为2 8 m 。该文还对多层隔热材料去污净化工作作了研究，提出了净化工艺措施，大 大减少了多层对星上设备特别是有效载荷的污染影响，有很好的实用价值。 多层隔热材料的热性能除与材料、层密度、使用温度有关外，对工程应用来说，多 层隔热材料在航天器上的安装固定方式有着重要的影响。文献 2 3 对多层隔热材料采用 悬挂式( 无固定部件) 、尼龙搭扣和销钉按扣三种固定方式及有接地装置条件下的隔热性 能进行了测试。结果表明，无固定部件( 实际不可能) 多层材料的隔热性能最好，销钉按 扣次之，尼龙搭扣最差。后两者的有效发射率在0 0 2 0 0 3 之白j 。研究表明，销钉、尼 龙搭扣和接地装置的漏热量相当可观，使用时应尽量减少其数量。 4 、相变材料 采用在熔化、凝固过程中吸收和释放热量的相变材料，例如石蜡、水化物等，以缓 和某些元、部件的高低温交替变化。除此之外航天器内部仪器设备的布局使热源分布合 理并安排足够的传热通道，选择航天器外壳温度变化不大的表面作为仪器设备的散热热 沉，以减少仪器设备的温度波动。 1 2 2 主动式热控制技术 主动式热控制要求当外热流或内热源发生变化时，能够自动按照一定要求调节航天 器内部设备温度，并保持在规定的范围之内。主动热控制根据不同的传热方式分为辐射 式、对流式和传导式三种： l 、控制热辐射式 当航天器内设备温度升高或下降时能自动改变表面组合热辐射率，从而改变散热能 力以保持设备的温度范围，如热控百叶窗和热控旋转盘。热控制百叶窗系统一般由叶片、 驱动器、轴和轴承，动作室，底板和框架组成。在无阳光区，热控百叶窗利用低发射率 的可转动叶片不同程度地遮挡高发射率的散热底板的方法，用调节散热面的组合发射率 来控制温度的装置。 热控旋转盘也是一种改变辐射表面的热辐射性质来进行温度控制的主动热控制机 构。旋转盘系统的驱动元件感受被控仪器的温度，驱动器带动转盘旋转，调节辐射表面 的当量发射率，从而调节仪器的散热量，达到控制仪器温度的目的。 中国“风云一号”嘲卫星上的热控旋转盘，在星体两侧的蒙皮共装4 个直径2 4 0 m 的转盘，叶片角3 0 。，表面镀金抛光，a 。= o 2 3 ，= 0 0 3 。底板每3 0 。角用镀金和1 0 7 白漆相白j 的涂层，白漆的d 。- 0 1 7 ，e = o 8 7 。其全开当量发射率全关的当量发射率为 。e 。，= 0 4 i 0 0 8 。辐射底板的温度范围控制在1 3 2 3 。范围内。 2 、控制传导方式 将航天器内部设备的热量通过传导的方式散至外壳表面排向宇宙空间。热传导系数 可以随设备温度升降而改变，从而对设备温度起自动调节作用，如接触导热开关和可变 热导的热管。 美国“勘探者”系列中的五个登月器上，应用往复式接触开关，该开关导通时的 熟导为0 3 1 4 w ，关断的热导为i 0 5 1 0 。w ，在严峻的月面温度环境下( 月夜一1 8 4 ：月昼+ 1 2 5 c ) ，能使两个舱温维持在允许的范围内，a 舱4 5 5 2 c ，b 舱一3 2 5 2 。 3 、控制对流方式 在具有气体或流体循环调节的航天器内部改变流体的对流换热系数以实现温度调 节，这类系统有液体循环和气体循环两种。流体在泵或风扇的驱动下将航天器内部热量 引出，流经外部的热辐射器排向宇宙空间。 a 、气体循环热控系统 用气体或空气的强制对流循环换热实现热控制的。这种控制方法的优点是可以使航 天器内部温度比较均习，调节范围也比较宽，缺点是需要消耗电能，要求严格的密封条 件以及有旋转运动部件，如图卜3 所示。 仪 伽南菊出i 字 r 风麝 图1 - 3 气体循环对流热控系统示意图 前苏联的月球车i 号和2 号。1 均采用了空气对流热控制系统，车内设有气体加热和 冷却回路。在月昼，其热量通过风扇将吸收了设备热量的空气流经顶部的辐射器排散热 量；而在月夜，则切断冷却回路，将空气引到同位素热源加热后，再进入仪器舱加热很 多因不工作致使在月夜温度很低的仪器，以保证其生存。 气体循环密封舱内对流系统其流场和温度场的分析和设计是十分重要的，通过分析 可以合理布置风扇的位置和确定风扇的数量、风压等参数。对于包括载人舱在内的一些 密封舱，还要考虑湿度场。 b 、液体循环系统 图卜4 为液体回路系统的原理示意图”1 。图中流体环路中工质通过冷板( 或直接流 过热源) ，吸收热量并使温度升高，然后在泵的驱动下流向环路的冷端，或者通过空自j 热辐射器排向空自j ，或者通过换热器将热量传给温度较低的介质。 图卜4 液体循环对流热控系统示意图 液体循环系统的热量排散有两种途径，一种是流体吸收热量后直接进到辐射器向空 间排放。这种比较简单，也称为单回路。另一种是吸收热量的工质进入与另外一个回路 耦合的中自j 换热器，将热量传给另一个回路的另外一种工质，通过该工质将热量带到辐 射器后排放热量。 单回路系统比较简单，但是要求回路内的工质防止在辐射器内结冻，故凝固点要求 较低。当用于载人舱时，又要求无毒性和较高的换热特性，工质难阻选择。用双回路时， 可以选择水作为内回路工质，外回路可不置于载人舱，可以选用其他低凝固点工质。 目前载人航天器主要用液体循环热控制系统，如美国的“双子星”飞船、俄罗斯 的“联盟号”飞船，“和平号”空间站，我国的“神舟”嘲飞船系列以及国际空间站等。 联盟号飞船由轨道舱、返回舱、设备仪器舱组成，前两个舱位密封舱，可供三个航天员 生活和工作，舱内温湿度的指标为：空气温度( 2 5 4 - 5 ) ，湿度4 0 7 0 ；仪器设备 舱的密封段内仪器温度要求为o 4 0 u 。通过包裹多层隔热材料使这三个舱与外部的热 流率降低到2 5 w m 2 以下。舱内热量通过流体回路上的冷凝干燥器、冷板吸收后，经中 间换热器输送到外回路，在输送到仪器设备舱外的辐射器，向空问排放。内回路流体工 质的冰点为一2 0 c ，外回路流体的冰点为一1 0 0 c ，沸点7 0 8 0 c 。进入内回路的冷流体 温度低于l o ，外回路进入中间换热器前的温度为7 。 c 、两相流体回路热控系统 利用流体工质相交时吸热、放热的特性进行热传输和热控制的流体系统。如图卜5 为两相热控回路原理示意图。若干个被控热负荷并联连接在系统上，液态工质在过冷状 态下从冷凝器流出，在泵的驱动下，通过液体管路流到各个需冷却的仪器板或换热器处， 并在那里部分工质吸热蒸发成蒸汽，再通过蒸汽管道流向冷凝器，并在那里放出热量而 凝结下来，形成一个流动一相交的循环来不断地传输热量。 图1 - 5 循环对流热控系统示意图 两相流体回路系统的特点是利用相变传热传递热量 q = 砌1 - 1 ) 式中五为气化潜热。所以很小的工质流量就能带走大量的热量，大大减小了泵功率 和管道尺寸，减小了系统质量和功耗；另外蒸发和冷凝接近于同一温度，使系统在等温 的条件下工作。 从两相流体回路系统驱动方式上可以区分为机械驱动式、毛细力驱动式和混合式三 种。毛细力为驱动的两相流体回路( c a p i l l a r yp u m p e dl o o p ，简称c p l ) 在2 0 世纪6 0 年代由美国的f j s t e n g e r 首先提出来的，直到2 0 世纪8 0 年代一些航天大国才开始 进行大量的研究。我国在8 6 3 航天领域的支持下研制了此项技术。 n a s a 于1 9 8 5 年完成了传输能力为7 0 k w m 的c p l 模型啪1 ，有8 个并联蒸发器和6 个冷凝器，其传输功率为7 k w ，输运距离为l o m ；于1 9 8 6 年完成了传输能力为2 0 0 k w m 的c p l 模型试验，有1 2 个并联蒸发器和2 0 个冷凝段，传输功率2 0 k w ，输运距离l o m 。 实验证明了c p l 的能力和各种特性，如精确的控温性能、各蒸发器热负荷不均匀性分布 以热负荷分享。 h u b b l e 空间望远镜n i c m o s 仪器的采用c p l 进行热控。“。该制冷机的制冷量为8 w ， 而需要排散的热量为3 0 0 4 0 0 w 。一个c p l 蒸发器用于将制冷机的热量传到外部的辐射 器排散掉，从而保证了制冷机能获得的低温7 0 k 。 环路热管( l o o ph e a tp i p e ，简称l h p ) 的工作原理与c p l 基本相同，由蒸发器、液 体补偿器、二次芯、冷凝器、蒸汽和液体管路组成。不同点是l h p 一般都是采用单蒸发 器，蒸发器和补偿器连在一起。俄罗斯在l h p 的研制和应用发面处于领先地位，1 9 9 4 年 发射的o b z o r 呲1 上用三个以丙烯为工质，工作范围为一3 0 6 0 的l h p 对三个光学仪器进 行热控制；美国在1 9 9 9 年在h u g h e sh s 7 0 2 啪1 上首次将l h p 回路应用于展开式辐射器。 泵驱动两相流体回路 目前还没有一个泵驱动的两相流体回路系统在航天器热设计系统上正式应用。国际 a l p h a 磁谱仪a m s - 0 2 的硅微条热控制系统( t r a c k e rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，简 称t t c s ) 正研制该系统“1 。该系统原理如图卜6 所示： w k b 冷凝b 系统图 发器 发器 图1 - 6t t c s 的系统原理图 回路液体在机械泵的驱动下，经热交换器使其接近饱和温度，由预热器加热到饱和 温度点，再进入蒸发器，在蒸发器中工质吸收1 4 4 w 热量而部分汽化，经过热交换器， 然后分别进于向阳面冷凝器和被阳面冷凝器，在冷凝器得到有效的冷却，在冷凝器出口 成为过冷液体，再经过泵，从而完成一个循环。储液器内为气液两相，通过控制储液器 的温度来控制储液器的内部c 0 2 两相平衡的压力，从而控制整个闭环系统的工作压力， 最后实现控制蒸发器工作点的目的。系统各个部件的功能如表l - i 所示。 表i - 1t t c s 系统各部件的功能 泵为工质流体在系统中运转提供动力 储液器 调节蒸发器的工作温度 对工质在系统中的膨胀提供余量 储液器半导体制冷换热器调节蒸发器的工作温度 制冷元件 储液器加热器调节蒸发器的工作温度 紧急加热器提高蒸发器的工作温度当进泵的温度 接近饱和温度，以防泵发生气蚀 阀门控制向阳面冷凝器和被阳面冷凝器之间的工质质 量流量 热交换器交换进出蒸发器管路流体的热量 减小预热器的所耗功率 蒸发器收集硅微条探测电子设备的热量 提供硅微条电子设备在一个周期的温度稳定性 冷凝器把从蒸发器收集的热量通过辐射器排放到外太空 绝对压力计监控环路的绝对压力 相对压力计监控泵前后的工作压头 流量计监控环路的工质质量流量 预热器加热进蒸发器前管路流体温度接近饱和温度 p t l 0 0 0 监控预热器前后管路流体温度以确定预热器功率 监控储液器温度 冷工况加热器 避免极端冷工况下冷凝器结冻 1 。3 主要研究内容 对硅微条热控系统，所有的泵及其电控盒、换热器、储液器、绝压计、差压计、预 热器和阀门均设置在一个设备箱体内，如图卜7 所示： 图卜7 热控箱体内的部件示意图 对整个硅微条热控制系统，该箱体内部件的乖常工作范围和生存温度如表1 - 2 所示： 表卜2 热控箱体电子设备的工作和生存温度 部件工作温度生存温度 绝压计一2 0 。c + 5 5 。c 一4 0 。c + 1 0 5 。c 压差计- 2 0 。c + 5 5 。c 一4 0 。c + 1 0 5 。c 泵电控盒体 一2 0 。c + 5 5 。c 一4 0 。c + 1 0 5 。c 对热控系统流体温度要求如表1 - 3 所示： 表卜3 热控箱体内流体的工作和生存温度 煎体工作温度( 设定点)i 1 5 。c + 1 5 。c ，对极限工况可以选择菊奄 流体生存温度l - 1 0 0 。c + 8 0 。c 本文主要研究内容如下： 1 、当热控系统在冷、热工况下工作时，需要对热控制箱体进行模拟分析，以确保 各部件在工作温度以内，同时对关键部件泵的内壁进行温度分析，确保泵内不会产生气 蚀。 2 、对热控箱中部件和支撑板的热连接进行敏感性分析，以分析不同的热连接对箱 体内部件温度以及热量影响。 3 、从热控系统最大压力设计考虑，由图1 - 8 可知，最大设计压力为1 6 0 b a r ，此 时对应的温度为8 0 k 2 。对热控系统的储液器还需要对在热工况下，当箱体内发热部件 ( 泵、泵热控箱体、压力传感器) 控制失效时，计算分析储液器是否在生存温度内。 m m t i m u m o , a c w i n gm m i p e r - u t er q 图卜8 t t c s 热控系统的最大设定压力和对应温度 第2 章应用软件以及理论基础 2 1 热分析方法 热分析方法一般分为三种：解析法、实验法、数值计算法。 ( 1 ) 解析法 这种方法以数学为基础求解定解问题，得出用函数形式表示的解，这个函数表示 所在区域内的一种连续的温度分布。它利用传热工程学中的基本公式及推导公式对一 些比较简单的热阻问题直接计算，求出需要的设计参数。这种方法简单易于使用，求 得的解精确，但通常用于有规则边界条件的问题，求解常有限，只适用于求解比较简 单的问题，不能解决比较复杂的问题。 ( 2 ) 实验法 实验法是通过分析仪器对复杂系统的表面、内部点的温度进行直接测量，实验法 往往只能测量表面和内部有限个点的温度，难以测量组件内部表面各个点的温度，更 不易测量内部点的温度，对于复杂的热分析问题的适用性差。而且用于测量的仪器( 如 红外线测温仪) 的价格昂贵，产品设计的周期长，耗费高。因此不利于产品的设计和 生产。 ( 3 ) 数值计算法 目前常用的数值计算法有：有限单元法、有限差分法、边界元法，但就其实用性 和应用的广泛性而言，主要是有限单元法，即有限元法。有限元法是以离散数学为基 础，求解各类工程问题的一种数值方法。热传导是其应用的一个重要领域。 2 2传热有限元法 有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具。二十世纪六 十年代，克拉夫教授为计算结构力学计算而提出有限元概念，经过半个多世纪的发展， 它已日趋成熟，应用范围也扩展到机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、 电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域。 2 2 1 有限元知识介绍 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的问题代替 复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一 单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的 平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较 简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高， 而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。对于不同物理性质和数 学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。 有限元求解问题的基本步骤通常为： 1 、问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 2 、求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个 单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小( 网络越细) 则离散域 的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化 是有限元法的核心技术之一。 3 、确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态 变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函 形式。 4 、单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括 选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系， 从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。为保证问题求解的收敛性，单元 推导有许多原则要遵循。对工程应用而占，重要的是应注意每一种单元的解题性能与 约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致 无法求解。 5 、总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ，反映对近似 求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单 元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立在结点处。 6 、联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求 解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算 结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限 元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息， 了解计算结果。 2 2 2固体导热的有限元方法 一股在= 维i 司趑中，胖念温度场t ( x ，y ，z ，t ) 在苴角坐杯糸甲应满足如式( 2 1 ) 所示的导热方程： 肛詈一墨一罢) 一昙一多 一毫( t 署) 一艘= 。 c z _ d 式中：第一项微元体温升所需要的热量；第二、三、四项分别为由x ，y ，z 方向传 入微元体的热量：最后一项为微元体内热源产生的热量。 求解域。的温度场分布满足的边界条件可以分为三类，表示如下： 第一类边界条件：耳。= 瓦x , y 石t ) 式中：耳，为边界条件；瓦( 工，弘z ，f ) 为已知温度边界 第二类边界舭五( 瓢 式中r l 为边界外法线方向，也是热流方向； 第三类边界条件：五( 魏圳h ) - 0 式中：口为换热系数；为周围介质温度 对于导热问题利用有限元法，采用c o 型插值函数的有限单元进行离散后，对于稳 态分析可直接将热传导微分方一程转化为如式( 2 - 2 ) 。等效的积分形式： 肌叫詈) 俐叫懈7 舭三，砂y = 船+ j 纽一( 乃一d 凼+ 旧阳矿( 2 - 2 ) 式中v 为单元体积；科= 降专劫；a 为单位体积生成热阁热流边界艘 对流边界。 将模型区域分解成简单的形状，二维的如三角形或四边形，三维的如四面体或六面 体。为保证在单元内部和边界上温度分布是连续的，假设单元内温度变化可用如式( 2 3 ) 多项式表示， t = 册1 亿) ( 2 - 3 ) 式中 册7 形函数矩阵 z ) - 一单元节点温度 由单元节点温度得出每个单元的温度梯度缸) 和热流 d 犯) r = 陋1 以) = 缸) g ) = 【d p 】( c ) = 【d 虹) r = 【d 】p 其中： 陋】= ) 丁【】 d 为热传导系数矩阵 将假设的温度变化代入积分方程并将每项与温度值相乘，两边约去后得到 f m n y n a v ；r 。) + f 肛( ) n 7 l 啦矿 l ) + f 陋r 【d p k 矿m r rr ；( ) ；码+ f 瓦以 椰娼一f _ 研 妈+ 毒 ) d 矿 将上方程写成简化形式： 础 + 噼m 】+ k 一】+ k c m 丁) = q ，) + q c ) + 坦s ) 其中【c 】= f p c ( n ) 7 n d v k “】- j 烈而 矿) 7 陋p 矿k 4 】= f 陋】r 【d p p 矿 pr ( 2 4 ) ( 2 - s ) k 。】= n 册7 奶 t ) 娼 q 。) = ft b h ： l 旷 d s 3 j 3 将上式简化成系统方程为： 【c 】( 而+ k 】( 乃= q ) q ) = j ( n ) q d s 2 5 2 q 。 = j g ) d 矿 上式中，【c 】：窆【c 】为比热矩阵；k 】- 窆k 州+ r 】为热传导矩阵； 融】= 窆囟加。】+ q ) 。点热旋为温度载荷列阵：n 是连续体所划分的单元总数。 2 3i - d e a s 软件介绍 2 3 1 i - d e a s 模块介绍 本论文应用美国s d r c 公司开发的集c a d 、c a m 、c a e 于一体的大型商用软件i d e a s 进行数值仿真研究协“。该软件被广泛应用于机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、 纺织等各行各业，主要应用在诸如：机械设计、模具设计、结构设计、干涉检验、铸造 分析、震动分析、热分析、电子系统的温度场仿真以及数控加工等领域。它可运行于 w i n d o w s n t 和u n i x 平台上，共有六大主模块： l 、工程设计( ( e n g i n e e r i n gd e s i g n ) 模块 工程设计模块主要用于对产品进行几何设计，包括m a s t e rm o d u l e ( 建模) 、m a s t e r s u r f a c i n g ( 曲面) 、m a s t e ra s s e m b l y ( 装配) 、m e c h a n i s m ( 机构) 、d r a f ts e t u p ( 铝1 图建 模) 几个子模块。实体建模( m a s t e rm o d e l e r ) 子模块主要用于生成3 d 实体模型。以往的 3 d 建模软件生成的实体模型在工程实际中是“中看不中用”；而在i d e a s 中，后阶段的 各个功能模块数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据，使得它所创建的模型不仅 中看，而且非常有用，成为该软件的核心模块。装配( m a s t e ra s s e m b l y ) 子模块m a s t e r a s s e m b l y 可将零件在计算机上组装起来。它可用于计算干涉、质量特性等，并能进行装 配体的仿真显示。工程制图( d r a f t i n g ) 子模块该模块包括转换( ( d r a f t i n gs e t u p ) 子模 块和绘图( d e t a i ld r a f t i n g ) 子模块，是一个高效的二维机械制图工具，它可绘制任意 复杂形状的零件。它既能作为高性能系统独立使用，又能与i - d e a s 的实体建模模块结 合起来使用，它支持g b 、a n s i 、b s 3 0 8 、d l r l 、i s o 和j i s 等制图标准。转换( d r a f t i n g s e t u p ) 子模块在i d e a s 中，当实体模型建立后，运用该模块，只须几步操作，我们 就可以由三维实体零件直接生成二维的三视图( 主视图、俯视图、侧视图) 。绘图( d e t a i l d r a f t i n g ) 子模块该子模块可生成符合各种标准的工程图。它还提供了许多有用的工具， 如动态导航技术等，使制图变得非常方便。 2 、制造( m a n u f a c t u r i n g ) 模块 在机械行业中用到的i d e a s 制造模块中的功能是n c m a c h i n i n g ( 数控加工) 。i d e a s 的数控模块分三大部分：前处理模块、后处理编写器和后处理模块。在前置处理模块中， i d e a s 提供了完整的机加工环境，可同时处理三维实体和曲面。n c 刀具轨迹可根据仿 真情况进行修正。后处理编写器用于生成适合具体n c 机床的后处理程序，该部分采用 表格驱动，很容易编写出适应f a n u c 、s i m e n s 、f a g o r 等数控系统的后处理程序。后 处理模块读入生成的后处理程序后，再对前处理模块中生成的刀位文件术c l 进行处理， 就可生成所需的数控程序。 3 、仿真( s i m u l a t i o n ) 模块 i d e a s 的有限元仿真主要概括为三个部分：前处理模块( p r e - p r o c e s s i n g ) 、求解模 块( s o l u t i o n ) 、后处理模块( p o s t p r o c e s s i n g ) ：它们分别被应用于t m 6 、e s c 、r e s p o n s e a n a l y s i s 、o u r a b i l i t y ，m o l df l o w 等仿真分析模块的不同阶段，以实现分析过程中 不同阶段所需要实现的功能。例如：前期的几何建模，划分网格，设置边界条件：然后根 据不同的分析目的，应用前面所提到的相应的分析模块对所建立的模型进行求解：最后 将求解结果在后处理模块中用图形的方式表示出来，对实际系统的各种可靠性指标提供 直观的仿真结果。 前处理模块包括： 1 ) 实体建模( m a s t e rm o d e l e r ) 子模块与工程设计中的相同。 2 ) 网格生成子模块( m e s h i n g ) ，是其中非常重要的一个子模块，在该模块中可以对 各种几何形状进行手工或自动网格剖分，并进行模型及网格检查，添加物理及材料特性 表：