一種肋片式相變蓄熱裝置優化設計方法
【專利摘要】一種肋片式相變蓄熱裝置優化設計方法，（1）確定肋片相變蓄熱裝置下底板熱流密度及裝置截面面密度上限；（2）將肋片式相變蓄熱裝置相鄰兩個肋片沿裝置高度方向的對稱軸之間的部分作為典型分析單元，將典型分析單元的一半作為設計中的一個分析單元；（3）建立一個分析單元的二維傳熱模型；（4）初始化W，根據二維傳熱模型計算相變蓄熱材料完全熔化時分析單元的溫差，以該溫差最小作為優化目標進行優化，得到優化后的相鄰兩個肋片間距離的一半W；（5）根據優化后的W計算肋片的厚度S2，進而確定裝置截面面密度ρ，并判斷ρ是否大于ρ1；若大于，則增加優化后的W，從步驟（4）開始優化；否則，按照優化后的W及S2設計肋片式相變蓄熱裝置。
【專利說明】一種肋片式相變蓄熱裝置優化設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高效相變蓄熱裝置的一種優化設計方法，特別是針對肋片式相變蓄熱裝置的優化設計，主要用于可重復使用軌道機動飛行器再入段熱控系統設計及間歇性工作電子器件的溫度控制。
【背景技術】
[0002]可重復使用軌道機動飛行器再入返回過程中，會受到強烈的氣動加熱影響，從而使飛行器熱防護組件的背溫極高。艙內密封，熱量不僅無法向外擴散，還會傳至艙內設備，容易導致艙內設備失效，因此需要設計一種高效的相變蓄熱裝置，將飛行器儀器設備在再入過程中產生的余熱全部吸收。
[0003]在進行相變材料選擇時，由于石蠟類材料具有高潛熱、價格低廉、溫度及化學性質穩定、無毒等優點，且已經在衛星熱控制技術中得到了應用，因此可選擇石蠟作為相變材料。但由于石蠟等有機相變材料導熱系數低，在電子設備功率較大且無法通過飛行器艙壁向外排散的情況下，需要較多相變材料，電子設備散發出的熱量不能迅速傳導到整個石蠟區域中，相變區只出現在熱源附近，產生局部熔化，隨著相界面的推移，傳熱的熱阻逐漸增大。因此在進行相變裝置設計時，可以在裝置內部增加肋片，提高相變裝置整體導熱性能。此外，由于總體對熱控分系統的重量有嚴格限制，因此需要對相變裝置中肋片厚度及間距進行優化，在滿足重量要求的前提下盡量提升相變裝置的導熱性能。
[0004]針對該問題本發明利用傳熱學及傳熱傳質基本原理，對肋片式相變蓄熱裝置的優化設計方法進行了研究，并初步建立了一種適用于肋片式相變蓄熱裝置優化設計的二維傳熱模型。
[0005]目前國內外相變蓄熱裝置優化設計方法主要采用數值計算法:
[0006]在《一種相變儲能設備的強化傳熱數值研究》及《帶有內肋片相變蓄能換熱器的數值分析》等文獻中提到了一種新型帶內肋片的相變蓄能換熱器，利用Fluente.2軟件研究了相變材料的融化和凝固過程，研究了不同相變層厚度，不同溫度差和不同入口速度等多種工況的蓄熱過程，并討論了固/液相變界面的形狀、總的凝固時間、熱流等物理量之間的關系，為蓄能換熱器的優化設計提供了思路。這類方法僅能通過對比拼湊的方法進行相變裝置優化設計，優化效率較低。
【發明內容】
[0007]本發明的技術解決問題是:提供一種用于可重復使用軌道機動飛行器再入返回過程中肋片式相變蓄熱裝置的優化設計方法，克服了傳統數值模擬方法誤差大、效率低的不足。
[0008]本發明的技術解決方案是:一種肋片式相變蓄熱裝置優化設計方法，所述的肋片式相變蓄熱裝置包括安裝在上蓋板和下底板之間的互相平行的肋片以及填充在肋片之間的相變蓄熱材料；步驟如下:[0009](I)根據肋片式相變蓄熱裝置所在飛行器再入返回過程中電子設備的總熱耗Q、肋片式相變蓄熱裝置的重量上限m、相變蓄熱裝置安裝的空間尺寸V轉化為肋片相變蓄熱裝置下底板熱流密度q以及裝置截面面密度上限P!;
[0010](2)將肋片式相變蓄熱裝置相鄰兩個肋片沿裝置高度方向的對稱軸之間的部分作為典型分析單元，根據對稱性，將典型分析單元的一半作為設計中的一個分析單元，其中肋片的厚度記為S2，相鄰兩個肋片間的距離為2W ；
[0011](3)建立一個分析單元的二維傳熱模型；
[0012](4)將步驟(1)確定的肋片相變蓄熱裝置下底板熱流密度q作為步驟(3)建立的二維傳熱模型的輸入，初始化W，根據步驟(3)中的二維傳熱模型計算相變蓄熱材料完全熔化時分析單元的溫差，以該溫差最小作為優化目標進行優化，得到優化后的相鄰兩個肋片間距離的一半W ;
[0013](5)根據步驟(4)優化后的W計算肋片的厚度S2，進而確定裝置截面面密度P，并判斷P是否大于P1;若大于，則增加優化后的W，從步驟(4)開始重新優化；否則，按照優化后的W及S2設計肋片式相變蓄熱裝置。
[0014]所述步驟(3)中的二維傳熱模型包括四個區域，其中:
[0015]下底板區域:根據能量守恒建立的換熱方程；
[0016]肋片區域:肋片內根據肋片材料熱傳導關系建立的方程；肋片與相變蓄熱材料連接處根據對流換熱關系建立的方程；
[0017]相變蓄熱材料區域:首先根據能量守恒確定相變蓄熱材料的固/液相變界面，在固態區根據熱傳導關系建立方程，在液態區根據自然對流換熱及熱傳導關系建立方程；
[0018]上蓋板區域:假設上蓋板為絕熱板。
[0019]所述的肋片與相變蓄熱材料連接處根據對流換熱關系建立的方程為:
[0020]
【權利要求】
1.一種肋片式相變蓄熱裝置優化設計方法，所述的肋片式相變蓄熱裝置包括安裝在上蓋板和下底板之間的互相平行的肋片以及填充在肋片之間的相變蓄熱材料；其特征在于步驟如下: (1)根據肋片式相變蓄熱裝置所在飛行器再入返回過程中電子設備的總熱耗Q、肋片式相變蓄熱裝置的重量上限m、相變蓄熱裝置安裝的空間尺寸V轉化為肋片相變蓄熱裝置下底板熱流密度q以及裝置截面面密度上限P!; (2)將肋片式相變蓄熱裝置相鄰兩個肋片沿裝置高度方向的對稱軸之間的部分作為典型分析單元，根據對稱性，將典型分析單元的一半作為設計中的一個分析單元，其中肋片的厚度記為S2，相鄰兩個肋片間的距離為2W ； (3)建立一個分析單元的二維傳熱模型； (4)將步驟(1)確定的肋片相變蓄熱裝置下底板熱流密度q作為步驟(3)建立的二維傳熱模型的輸入，初始化W，根據步驟(3)中的二維傳熱模型計算相變蓄熱材料完全熔化時分析單元的溫差，以該溫差最小作為優化目標進行優化，得到優化后的相鄰兩個肋片間距離的一半W ; (5)根據步驟(4)優化后的W計算肋片的厚度S2，進而確定裝置截面面密度P，并判斷P是否大于P !;若大于，則增加優化后的W，從步驟(4)開始重新優化；否則，按照優化后的1及S2設計肋片式相變蓄熱裝置。
2.根據權利要求1所述的一種肋片式相變蓄熱裝置優化設計方法，其特征在于:所述步驟(3)中的二維傳熱模型包括四個區域，其中: 下底板區域:根據能量守·恒建立的換熱方程； 肋片區域:肋片內根據肋片材料熱傳導關系建立的方程；肋片與相變蓄熱材料連接處根據對流換熱關系建立的方程； 相變蓄熱材料區域:首先根據能量守恒確定相變蓄熱材料的固/液相變界面，在固態區根據熱傳導關系建立方程，在液態區根據自然對流換熱及熱傳導關系建立方程； 上蓋板區域:假設上蓋板為絕熱板。
3.根據權利要求2所述的一種肋片式相變蓄熱裝置優化設計方法，其特征在于所述的肋片與相變蓄熱材料連接處根據對流換熱關系建立的方程為:
| d2T:t ( 2 A M Var^ — PmCpm STtn
Sy2 dx2 ^kmkm 8t 式中，k為相變蓄熱材料的導熱率；Tm為肋片溫度分布；T為相變蓄熱材料的溫度分布；km為肋片導熱率，ff/ (m ? K) ; P m為肋片的面密度，kg/m2 ；cpm為相變材料的比熱容，J/(kg ? K) ；x軸為相變蓄熱材料寬度方向，y軸為相變蓄熱材料高度方向；S2為肋片厚度，在x=S2/2 (或x=-S2/2)位置處肋片的溫度與相變蓄熱材料的溫度相同。
【文檔編號】G06F17/50GK103593503SQ201310485384
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月16日 優先權日:2013年10月16日
【發明者】王領華, 王思峰, 劉欣, 呂建偉, 李彥良, 屈強, 洪文虎, 王海英, 鞏萌萌 申請人:中國運載火箭技術研究院