基于动态耦合传热的高低温环境系统升降温特性及其能量传递机理研究

High/low temperature environment system has been widely applied, as the rapid development of electronic and space technology.The temperature control requirements are also getting higher, which plays a more and more important role in the research and design process of electronic devices, precision instruments, weapons, and spacecraft. Usually, in such applications, the internal medium and controlled object require high precision temperature control of large temperature difference, where conjugate heat transfer of conduction, natural convection, forced convection and radiation often occurs. Although there are some available related researches on conjugate heat transfer, it still needs in-depth research to improve and perfect the relevant theory. This subject aims to explore the decoupling method of the coupled conjugate heat transfer process, reveal its dynamic heat transfer mechanism, and obtain the flow and heat transfer characteristics of the internal medium and controlled object. The effects of the configuration parameters, physical parameters and operational parameters on main flow and heat transfer parameters are then investigated. On this basis, the energy transfer mechanism is analyzed using entropy generation and field synergy theories. Finally, the above obtained results are used to optimize the typical high/low temperature environment system, providing advanced design theories and methods.

随着电子信息以及航天科技的发展，高低温环境系统的应用越来越广泛，控温要求也越来越高，其在电子器件、仪器仪表、武器装备、航天器等设备研发过程中发挥着越来越重要的作用。通常，高低温环境系统的内部介质和被控对象均需要大温差下的高精度温度控制，因此系统内会同时发生两种以上传热方式，形成导热、自然对流、强制对流、辐射等相互耦合的动态传热过程，尽管有相关的研究，但并不完善，还缺乏深入与必要的理论支持。本课题旨在通过建立三维动态耦合传热研究模型，探索这些耦合传热过程的解耦方法，揭示在较大的温度范围内多种传热方式的动态耦合作用机理，明确升降温过程中所涉及的内部介质、被控对象等在耦合传热作用下的动态流动和传热特性，获得结构参数、物性参数、运行参数与系统内主要流动和传热参数间的相互影响规律。并在此基础上，利用熵产分析、场协同理论等分析其能量传递规律。最后，分析典型高低温环境系统特性，形成相关的设计理论与方法。

在地面上进行的空间环境试验是检验和保证航天器可靠性的重要手段。在航天器的热试验方面，常压下的热循环试验因其在试验周期和成本上相对于传统热真空试验的优势而在近几年被世界各航天大国所重视。随着航天工程的飞速发展，航天器的尺寸逐渐趋于大型化，对试验环境的要求也越来越高。这对更高性能航天器高低温试验系统的研制提出了紧迫的需求，也对高低温环境温度场的控制理论和技术提出了更高的要求。针对这些问题，本项目从方法研究、机理研究、应用研究、实验验证和优化运行五个层面逐步展开研究，形成了一套基于动态耦合传热的航天器高低温试验系统温度场控制理论。首先，以小型或组件级航天器高低温试验空间为应用对象，通过数值模拟，分析了三维竖直通道内层流混合对流传热过程的流场结构、温度分布、传热特性以及熵产特性。揭示了在同向以及反向浮升力混合对流传热条件下回流现象发生的临界参数，并将现有的混合对流回流机理研究从二维扩展到了三维模型。同时，明确了该回流现象对温度场、壁面传热以及系统熵产的作用关系，并得出了相应的关联式。其次，针对在Rayleigh数Ra > 10^12的湍流混合对流数值模型准确性不明确问题，设计了湍流混合对流实验系统，并将其用于湍流模型的准确度检验。利用热线传感器和铂热电阻对测试平面上的速度、温度进行逐点测量，以获得流场在空间上的时均分布和随时间的脉动信息。采用三种湍流模型：RNG k-ε模型、L-B低Re数k-ε模型和SST k-ω模型，对强浮升力湍流混合对流传热的实验工况进行数值模拟。通过与实验结果中的时均速度、时均温度以及湍流度进行对比，发现L-B低Re数k-ε模型较其他模型能获得更精确的结果。其次，通过建立三维动态耦合传热研究模型，探索这些耦合传热过程的解耦方法，揭示在较大的温度范围内多种传热方式的动态耦合作用机理，明确升降温过程中所涉及的内部介质、被控对象等在耦合传热作用下的动态流动和传热特性，获得结构参数、物性参数、运行参数与系统内主要流动和传热参数间的相互影响规律。进而，设计了基于反向混合对流传热的大型航天器热循环试验系统循环流程。针对实际系统固体壁面结构的复杂性，确定了基于固体导热零维参数模型和混合对流传热关联式相互迭代的运行参数确定方法。此外，提出了一种从目标温度出发，基于熵产最小化（EGM）和温度均匀度最佳化（TDM）的运行参数优化方法。