何超，李高，丁文靜，李昂，顧磊

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低氣壓溫控設(shè)備的艙內(nèi)環(huán)境溫度影響因素分析

何超，李高，丁文靜，李昂，顧磊

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

低氣壓溫控設(shè)備用于模擬臨近空間低氣壓和高低溫環(huán)境，低氣壓環(huán)境的溫度場(chǎng)控制是低氣壓溫控設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。文章首先通過(guò)Fluent軟件對(duì)無(wú)風(fēng)扇擾動(dòng)的低氣壓艙中的環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)值仿真，研究熱沉開(kāi)孔對(duì)艙內(nèi)環(huán)境溫度的影響；在低氣壓艙模型中增加風(fēng)扇模型，分析強(qiáng)制換熱對(duì)低氣壓艙內(nèi)環(huán)境溫度的影響。通過(guò)在低氣壓溫控設(shè)備中進(jìn)行的無(wú)強(qiáng)制對(duì)流的溫度控制試驗(yàn)，研究此時(shí)空間溫度的降溫速率、試驗(yàn)艙壓力和艙內(nèi)試件工裝對(duì)艙內(nèi)環(huán)境溫度的影響。數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，熱沉開(kāi)孔、擾動(dòng)風(fēng)扇、試驗(yàn)艙壓力和試件工裝均對(duì)低氣壓艙內(nèi)環(huán)境溫度有影響，在低氣壓溫控設(shè)備的研制中，需綜合考慮上述因素。

低氣壓；溫控；數(shù)值仿真；Fluent

0 引言

臨近空間[1-2]的戰(zhàn)略價(jià)值已逐漸引起世界各國(guó)的關(guān)注和重視。20世紀(jì)90年代，美國(guó)、日本、韓國(guó)、巴西以及歐洲各國(guó)已經(jīng)投入了大量的人力、物力對(duì)臨近空間相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了可行性研究論證以及試驗(yàn)[3-7]。我國(guó)從2000年開(kāi)始平流層飛艇的科研項(xiàng)目。

臨近空間的環(huán)境模擬試驗(yàn)是驗(yàn)證臨近空間飛行器可靠性的重要手段。不同于航天器空間環(huán)境模擬器的高真空環(huán)境[8]，臨近空間的環(huán)境模擬器不僅要關(guān)注冷背景溫度（熱沉溫度），更要關(guān)注低氣壓下的環(huán)境溫度，低氣壓下的傳熱機(jī)制除了輻射換熱外，還需要考慮導(dǎo)熱和對(duì)流換熱，使得溫度的影響因素更復(fù)雜。本文應(yīng)用數(shù)值仿真和試驗(yàn)方法對(duì)低氣壓下的環(huán)境溫度影響因素進(jìn)行分析，以期為低氣壓溫控環(huán)境模擬設(shè)備的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法積累經(jīng)驗(yàn)。

1 低氣壓溫控方法

低氣壓溫控設(shè)備如圖1所示，低氣壓試驗(yàn)艙體為外承壓結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)有效空間為1800mm×2500mm。配置壓控系統(tǒng)控制艙內(nèi)的環(huán)境壓力，調(diào)壓范圍為10Pa～常壓。溫控系統(tǒng)將艙內(nèi)熱沉調(diào)節(jié)至目標(biāo)溫度，通過(guò)熱沉與艙內(nèi)稀薄氣體進(jìn)行換熱來(lái)控制艙內(nèi)環(huán)境溫度，其中制冷系統(tǒng)采用二元復(fù)疊制冷，能夠使熱沉冷背景溫度降至-80℃。相比于兩級(jí)壓縮機(jī)械制冷，復(fù)疊制冷由2個(gè)獨(dú)立的制冷循環(huán)疊加而成，高溫和低溫制冷劑都在合適的溫區(qū)工作，比兩級(jí)壓縮輸氣系數(shù)高、能源消耗小、能效比大，從而更經(jīng)濟(jì)。系統(tǒng)還配置了風(fēng)扇，用于加強(qiáng)艙內(nèi)稀薄氣體的對(duì)流換熱，提高艙內(nèi)的換熱效率，從而提高環(huán)境溫度的升/降溫速率和均勻性。相比國(guó)內(nèi)現(xiàn)有低氣壓溫控設(shè)備，該設(shè)備試驗(yàn)空間大，試驗(yàn)溫度低，艙內(nèi)溫度場(chǎng)的控制難度增加。為了提高設(shè)備的溫度性能，分析影響低氣壓環(huán)境溫度的因素是十分必要的。

圖1 低氣壓溫控設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

2 模型建立

Gambit是Fluent公司自行研發(fā)的前處理軟件，具有超強(qiáng)組合建構(gòu)模型能力和專用CFD前置處理器，用于建立幾何形狀及生成網(wǎng)格。通過(guò)Gambit軟件建立試驗(yàn)艙的計(jì)算模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，試驗(yàn)艙模型和網(wǎng)格如圖2和圖3所示。建模時(shí)需考慮試驗(yàn)艙觀察窗、測(cè)控法蘭的熱沉開(kāi)孔、導(dǎo)軌和熱沉間隙。熱沉溫度-80℃，容器內(nèi)壁溫度-13℃，艙內(nèi)壓力為2000Pa。分別對(duì)風(fēng)扇開(kāi)啟前、后試驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，研究熱沉開(kāi)孔和風(fēng)扇對(duì)艙內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。

圖2 試驗(yàn)艙模型

圖3 試驗(yàn)艙網(wǎng)格

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

通過(guò)Fluent軟件[9-12]對(duì)未開(kāi)啟風(fēng)扇時(shí)艙內(nèi)的換熱進(jìn)行數(shù)值模擬，試驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境通過(guò)導(dǎo)熱和輻射與熱沉進(jìn)行熱量交換，艙內(nèi)溫度分布如圖4所示?？梢钥闯觯瑴囟确€(wěn)定后，靠近熱沉壁面的環(huán)境溫度接近熱沉溫度-80℃，熱沉和艙內(nèi)容器內(nèi)壁夾層之間溫度較高，通過(guò)熱沉開(kāi)孔影響試驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境溫度，環(huán)境溫度隨著遠(yuǎn)離熱沉逐漸升高，試驗(yàn)艙內(nèi)中心區(qū)域溫度為-72℃。

用Fluent軟件模擬風(fēng)扇開(kāi)啟后試驗(yàn)艙內(nèi)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，如圖5和圖6所示，艙內(nèi)稀薄氣體產(chǎn)生流動(dòng)，加強(qiáng)了對(duì)流換熱，但由于風(fēng)扇設(shè)置位置靠近熱沉頂部開(kāi)孔，熱沉與容器壁夾層的高溫氣體通過(guò)風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入試驗(yàn)艙，艙內(nèi)的溫度均勻性反而有所下降。

圖4 風(fēng)扇未開(kāi)啟時(shí)艙內(nèi)溫度分布

圖5 風(fēng)扇開(kāi)啟后的艙內(nèi)速度場(chǎng)

圖6 風(fēng)扇開(kāi)啟后的艙內(nèi)溫度場(chǎng)

修正試驗(yàn)艙模型，遮擋頂部熱沉開(kāi)孔后再次對(duì)試驗(yàn)艙內(nèi)換熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，艙內(nèi)溫度分布如圖7和圖8所示。環(huán)境溫度受開(kāi)孔溫度影響減小，熱沉壁面附近溫度最低接近-80℃，距離熱沉大于200mm處的環(huán)境溫度基本維持在(-75±1)℃，艙內(nèi)最低溫度和溫度均勻性得到明顯改善。

圖7 遮擋頂部開(kāi)孔后的艙內(nèi)速度場(chǎng)

圖8 遮擋頂部開(kāi)孔后的艙內(nèi)溫度場(chǎng)

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

試驗(yàn)設(shè)備操作界面如圖9所示，試驗(yàn)除了記錄試驗(yàn)艙冷背景溫度（熱沉溫度）外，還布置了8個(gè)環(huán)境測(cè)溫點(diǎn)，用于試驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境溫度的測(cè)量。環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)分布如圖10所示。試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)如下：試驗(yàn)有效空間為1800mm×2500mm；溫度范圍為-85～150℃；壓力范圍為10Pa～常壓；艙內(nèi)無(wú)風(fēng)扇擾動(dòng)。

圖9 低氣壓艙溫控界面

圖10 艙內(nèi)環(huán)境溫度分布

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)共進(jìn)行空載及有載2次調(diào)試?？蛰d調(diào)試試驗(yàn)溫度隨時(shí)間變化如圖11所示，調(diào)試過(guò)程中維持艙內(nèi)壓力2000Pa，并分別在降溫2h和3.5h時(shí)對(duì)艙內(nèi)壓力進(jìn)行降壓和升壓操作。溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖11 空載調(diào)試溫度隨時(shí)間變化

根據(jù)表1的調(diào)試數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)艙壓力2000Pa時(shí)，艙內(nèi)環(huán)境溫度能夠在90min內(nèi)降到-60℃，之后隨著與外界溫差的增大，設(shè)備的漏冷熱負(fù)荷增加，以及制冷機(jī)制冷溫度的降低，制冷量下降，艙內(nèi)環(huán)境降溫速率變小。

試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行降壓和升壓操作，2h時(shí)試驗(yàn)艙壓力從2000Pa降至500Pa，艙內(nèi)環(huán)境溫度由-66℃降至-75℃，壓力恢復(fù)至2000Pa后溫度也升回至-66℃。3.5h時(shí)試驗(yàn)艙壓力從2000Pa升至3000Pa，艙內(nèi)環(huán)境溫度由-69℃升至-66℃，壓力恢復(fù)至2000Pa后溫度也降回-69℃。熱沉冷背景相同時(shí)，試驗(yàn)艙內(nèi)壓力越高，艙內(nèi)氣體的熱導(dǎo)率越高，與周圍環(huán)境漏冷越多，試驗(yàn)艙內(nèi)溫度越高；反之，試驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境溫度隨壓力降低而降低。

表1 試驗(yàn)艙內(nèi)溫度

有載試驗(yàn)在艙內(nèi)增加了試件車、試驗(yàn)工裝和試驗(yàn)件，維持艙內(nèi)壓力為3000Pa。試驗(yàn)溫度隨時(shí)間變化如圖12所示。

圖12 有載調(diào)試溫度隨時(shí)間變化

從圖11可以看出，空載時(shí)試驗(yàn)艙降溫3.5h、艙內(nèi)壓力3000Pa時(shí)，環(huán)境溫度能夠達(dá)到-66℃，但在圖12有載調(diào)試數(shù)據(jù)中，3000Pa時(shí)降溫7h后環(huán)境溫度達(dá)到-64℃（中間保持試驗(yàn)溫度1.2h），環(huán)境降溫速率遠(yuǎn)低于空載調(diào)試。在高真空的空間環(huán)模設(shè)備中，試件車等試驗(yàn)工裝對(duì)試件和環(huán)境溫度的影響較??；而在低氣壓試驗(yàn)艙內(nèi)放置尺寸較大、熱容較大的試件和工裝時(shí)，試件及工裝升/降溫速率遠(yuǎn)小于熱沉和環(huán)境溫度，在低溫工況時(shí)，試件和工裝相當(dāng)于熱源，對(duì)周圍環(huán)境溫度有加熱效應(yīng)，大大降低了環(huán)境溫度的降溫速率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值仿真和試驗(yàn)方法對(duì)低氣壓試驗(yàn)艙的環(huán)境溫度影響因素進(jìn)行分析?？梢钥闯鲈诘蜌鈮簻乜卦O(shè)備中，環(huán)境溫度的影響因素與高真空的空間環(huán)模設(shè)備有較大差異，對(duì)設(shè)備研制和試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)均提出新的要求：

1）設(shè)備內(nèi)部無(wú)風(fēng)扇擾動(dòng)時(shí)，熱沉開(kāi)孔對(duì)環(huán)境溫度有明顯影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少不必要的開(kāi)孔；

2）經(jīng)合理設(shè)計(jì)，擾動(dòng)風(fēng)扇能夠減小熱沉開(kāi)孔的影響，改善設(shè)備的環(huán)境溫度及其均勻性；

3）隨著試驗(yàn)艙內(nèi)溫度降低，向周圍環(huán)境漏冷量增加，且制冷機(jī)制冷量降低，艙內(nèi)環(huán)境溫度的降溫速率會(huì)降低；

4）試驗(yàn)艙內(nèi)壓力越高，氣體熱導(dǎo)率越大，在冷背景一致的情況下，向艙外的漏熱損失越大，因此試驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境溫度越高；而艙內(nèi)壓力越低，則艙內(nèi)環(huán)境溫度越低；

5）合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)件工裝，盡量減少工裝的尺寸和熱容，避免試驗(yàn)件工裝對(duì)艙內(nèi)環(huán)境溫度的影響。

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（編輯：馮露漪）

The influence factors of environmental temperature in the chamber of low pressure and temperature control facility

HE Chao, LI Gao, DING Wenjing, LI Ang, GU Lei

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The low pressure and temperature control facility can be used to simulate the environment of the near space, characterized by low pressure and high & low alterating temperature. First, the control of the temperature field concerns a main technical specification of the low pressure and temperature control system, which is relatively difficult. The environmental temperature in the low pressure chamber without fan is numerically simulated by the software Fluent, and the effect of the opening hole in the heat sink on the environment temperature inside the chamber is studied, then the fan model is added to the low pressure chamber, and the effect of the forced-convection heat transfer on the low pressure chamber is analyzed. The temperature control test in the low pressure chamber without the forced-convection heat transfer is completed, to evaluate the influening factors such as the cooling rate, the chamber pressure, and the test pieces and the toolings. Simulation and test result all indicate that the hole in the heat sink, the disturbance of fan, the pressure of the chamber, and the test fixtures all have some effect to the environmental temperature of the low pressure chamber. Those factors should be considered integratedly in the development of low pressure and temperature control facility.

low pressure; temperature control; numerical simulation; Fluent

V416.5; TP3

A

1673-1379(2017)04-0434-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.017

何超（1985—），男，碩士學(xué)位，主要從事空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備的研究工作。E-mail: hechao85112@126.com。

2017-05-02；

2017-07-20