液滴辐射散热的数值模拟研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质 学术会议论文 编号：093506 液滴辐射散热的数值模拟 杨昌鹏，齐 宏，阮立明 （哈尔滨工业大学航空航天热物理研究所，哈尔滨黑龙江 150001） (Tel:0451 Email: ycpeng1985@163.com) 摘要：液滴辐射散热器是一种新型的空间散热装置，利用液滴的瞬间辐射冷却向空间排热。本文建立 了液滴导热、对流、辐射耦合传热的数学模型，从有限体积法出发，计算了液滴辐射换热，分析了液 滴辐射散热的影响因素。 关键词：液滴辐射散热器；有限体积法；液滴辐射散热特性 0 前言 热控系统是航天器必不可少的技术保障系统之一，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[1] 。传统航天器辐射散热系统体积和质量庞 大，散热效率低，并存在空间碎片撞击的危险[2] 。为了克服上述缺陷，Mattick[3]提出了 空间液滴辐射散热器的概念，其工作原理为：作为热载体的工作液通过液点发生器的喷 口，直接进入空间飞行一段距离，并通过辐射放出热量然后被液体收集器回收。Siegel[4-6] 做了大量的理论研究，对矩形、汇聚式和圆柱形液滴散热器散热过程分别建立了数学模 型，进行了分析求解。谈和平、阮立明[7]利用辐射传递系数建立了一维辐射传热模型， 数值模拟了液滴层的散热过程。 本文利用有限体积法求解了半透明介质内的辐射传递方程和能量方程，对三维含液 滴介质的耦合散热过程进行了数值模拟。 1 数学模型 假设介质散热为稳态过程，物性为常数，忽略粘性耗散热，能量控制方程为：  ∂ (uT ) ∂ (vT ) ∂ ( wT )   2 2 2  ∂ T ∂ T ∂ T ρ cP  + +  λ  2 =+ 2 + 2  + Sr (1)  ∂x ∂y ∂z   ∂x ∂y ∂z  S 为辐射源项 r S ∞ α  H s =− 4π I s dλ (2) r ∫0 λ  λ ( ) bλ ( ) ur ur 其中，α 为光谱吸收系数，H (s ) 为光谱投射辐射函数，H (s ) I s，Ω dΩ 。 λ λ λ ∫4π λ ( ) 当介质为灰体时，辐射特性不随波长变化，此时 S α ∑ I m =Ωm − 4ασT 4 (3) r P m 4 Ω ∈ π 有限体积法的基本思想是保证在每个微元体内能量守恒，在控制体 V 对能量控制方 P 程(1)进行积分得 (uT ) A − (uT ) A + (vT ) A − (vT )