一种肋片式相变蓄热装置优化设计方法制造方法及图纸

一种肋片式相变蓄热装置优化设计方法，（1）确定肋片相变蓄热装置下底板热流密度及装置截面面密度上限；（2）将肋片式相变蓄热装置相邻两个肋片沿装置高度方向的对称轴之间的部分作为典型分析单元，将典型分析单元的一半作为设计中的一个分析单元；（3）建立一个分析单元的二维传热模型；（4）初始化W，根据二维传热模型计算相变蓄热材料完全熔化时分析单元的温差，以该温差最小作为优化目标进行优化，得到优化后的相邻两个肋片间距离的一半W；（5）根据优化后的W计算肋片的厚度S2，进而确定装置截面面密度ρ，并判断ρ是否大于ρ1；若大于，则增加优化后的W，从步骤（4）开始优化；否则，按照优化后的W及S2设计肋片式相变蓄热装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高效相变蓄热装置的一种优化设计方法，特别是针对肋片式相变蓄热装置的优化设计，主要用于可重复使用轨道机动飞行器再入段热控系统设计及间歇性工作电子器件的温度控制。
技术介绍
可重复使用轨道机动飞行器再入返回过程中，会受到强烈的气动加热影响，从而使飞行器热防护组件的背温极高。舱内密封，热量不仅无法向外扩散，还会传至舱内设备，容易导致舱内设备失效，因此需要设计一种高效的相变蓄热装置，将飞行器仪器设备在再入过程中产生的余热全部吸收。在进行相变材料选择时，由于石蜡类材料具有高潜热、价格低廉、温度及化学性质稳定、无毒等优点，且已经在卫星热控制技术中得到了应用，因此可选择石蜡作为相变材料。但由于石蜡等有机相变材料导热系数低，在电子设备功率较大且无法通过飞行器舱壁向外排散的情况下，需要较多相变材料，电子设备散发出的热量不能迅速传导到整个石蜡区域中，相变区只出现在热源附近，产生局部熔化，随着相界面的推移，传热的热阻逐渐增大。因此在进行相变装置设计时，可以在装置内部增加肋片，提高相变装置整体导热性能。此外，由于总体对热控分系统的重量有严格限制，因此需要对相变装置中肋片厚度及间距进行优化，在满足重量要求的前提下尽量提升相变装置的导热性能。针对该问题本专利技术利用传热学及传热传质基本原理，对肋片式相变蓄热装置的优化设计方法进行了研究，并初步建立了一种适用于肋片式相变蓄热装置优化设计的二维传热模型。目前国内外相变蓄热装置优化设计方法主要采用数值计算法:在《一种相变储能设备的强化传热数值研究》及《带有内肋片相变蓄能换热器的数值分析》等文献中提到了一种新型带内肋片的相变蓄能换热器，利用Fluente.2软件研究了相变材料的融化和凝固过程，研究了不同相变层厚度，不同温度差和不同入口速度等多种工况的蓄热过程，并讨论了固/液相变界面的形状、总的凝固时间、热流等物理量之间的关系，为蓄能换热器的优化设计提供了思路。这类方法仅能通过对比拼凑的方法进行相变装置优化设计，优化效率较低。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是:提供一种用于可重复使用轨道机动飞行器再入返回过程中肋片式相变蓄热装置的优化设计方法，克服了传统数值模拟方法误差大、效率低的不足。本专利技术的技术解决方案是:，所述的肋片式相变蓄热装置包括安装在上盖板和下底板之间的互相平行的肋片以及填充在肋片之间的相变蓄热材料；步骤如下:(I)根据肋片式相变蓄热装置所在飞行器再入返回过程中电子设备的总热耗Q、肋片式相变蓄热装置的重量上限m、相变蓄热装置安装的空间尺寸V转化为肋片相变蓄热装置下底板热流密度q以及装置截面面密度上限P!;(2)将肋片式相变蓄热装置相邻两个肋片沿装置高度方向的对称轴之间的部分作为典型分析单元，根据对称性，将典型分析单元的一半作为设计中的一个分析单元，其中肋片的厚度记为S2，相邻两个肋片间的距离为2W ；(3)建立一个分析单元的二维传热模型；(4)将步骤(1)确定的肋片相变蓄热装置下底板热流密度q作为步骤(3)建立的二维传热模型的输入，初始化W，根据步骤(3)中的二维传热模型计算相变蓄热材料完全熔化时分析单元的温差，以该温差最小作为优化目标进行优化，得到优化后的相邻两个肋片间距离的一半W ;(5)根据步骤(4)优化后的W计算肋片的厚度S2，进而确定装置截面面密度P，并判断P是否大于P1;若大于，则增加优化后的W，从步骤(4)开始重新优化；否则，按照优化后的W及S2设计肋片式相变蓄热装置。所述步骤(3)中的二维传热模型包括四个区域，其中:下底板区域:根据能量守恒建立的换热方程；肋片区域:肋片内根据肋片材料热传导关系建立的方程；肋片与相变蓄热材料连接处根据对流换热关系建立的方程；相变蓄热材料区域:首先根据能量守恒确定相变蓄热材料的固/液相变界面，在固态区根据热传导关系建立方程，在液态区根据自然对流换热及热传导关系建立方程；上盖板区域:假设上盖板为绝热板。所述的肋片与相变蓄热材料连接处根据对流换热关系建立的方程为: 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种肋片式相变蓄热装置优化设计方法，所述的肋片式相变蓄热装置包括安装在上盖板和下底板之间的互相平行的肋片以及填充在肋片之间的相变蓄热材料；其特征在于步骤如下：（1）根据肋片式相变蓄热装置所在飞行器再入返回过程中电子设备的总热耗Q、肋片式相变蓄热装置的重量上限m、相变蓄热装置安装的空间尺寸V转化为肋片相变蓄热装置下底板热流密度q以及装置截面面密度上限ρ1；（2）将肋片式相变蓄热装置相邻两个肋片沿装置高度方向的对称轴之间的部分作为典型分析单元，根据对称性，将典型分析单元的一半作为设计中的一个分析单元，其中肋片的厚度记为S2，相邻两个肋片间的距离为2W；（3）建立一个分析单元的二维传热模型；（4）将步骤（1）确定的肋片相变蓄热装置下底板热流密度q作为步骤（3）建立的二维传热模型的输入，初始化W，根据步骤（3）中的二维传热模型计算相变蓄热材料完全熔化时分析单元的温差，以该温差最小作为优化目标进行优化，得到优化后的相邻两个肋片间距离的一半W；（5）根据步骤（4）优化后的W计算肋片的厚度S2，进而确定装置截面面密度ρ，并判断ρ是否大于ρ1；若大于，则增加优化后的W，从步骤（4）开始重新优化；否则，按照优化后的W及S2设计肋片式相变蓄热装置。...

【技术特征摘要】
1.一种肋片式相变蓄热装置优化设计方法，所述的肋片式相变蓄热装置包括安装在上盖板和下底板之间的互相平行的肋片以及填充在肋片之间的相变蓄热材料；其特征在于步骤如下: (1)根据肋片式相变蓄热装置所在飞行器再入返回过程中电子设备的总热耗Q、肋片式相变蓄热装置的重量上限m、相变蓄热装置安装的空间尺寸V转化为肋片相变蓄热装置下底板热流密度q以及装置截面面密度上限P!; (2)将肋片式相变蓄热装置相邻两个肋片沿装置高度方向的对称轴之间的部分作为典型分析单元，根据对称性，将典型分析单元的一半作为设计中的一个分析单元，其中肋片的厚度记为S2，相邻两个肋片间的距离为2W ； (3)建立一个分析单元的二维传热模型； (4)将步骤(1)确定的肋片相变蓄热装置下底板热流密度q作为步骤(3)建立的二维传热模型的输入，初始化W，根据步骤(3)中的二维传热模型计算相变蓄热材料完全熔化时分析单元的温差，以该温差最小作为优化目标进行优化，得到优化后的相邻两个肋片间距离的一半W ; (5)根据步骤(4)优化后的W计算肋片的厚度S2，进而确定装置截面面密度P，并判断P是否大于P !;若大于，则增加优化后的W，从步骤(4)开始重新优化；否则，按照优化后的1及S2设计肋片式相变...

【专利技术属性】
技术研发人员：王领华，王思峰，刘欣，吕建伟，李彦良，屈强，洪文虎，王海英，巩萌萌，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：