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《清华大学》 1998年
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空间站舱内流动和传热的地面模拟及实验研究

任建勋  
【摘要】:如何在地面重力环境中实验模拟空间微重力环境中的流动与传热传质具有很大意义而又尚未很好解决。本文目的就是研究微重力环境中空间站内通风换热过程的地面实验模拟问题,建立切实可行的地面模拟理论和技术,并建成地面模拟实验装置,对若干通风换热方案进行了实验模拟研究。 在综合评述前人工作成果的基础上,就重力对空间站舱内流动与对流换热的影响进行了理论分析,阐明了在保持Re数不变的条件下,缩小模型尺寸,可以迅速减小重力的影响。用一系列实验证明了只要模型比例合理,重力对流态、速度分布、温度分布、对流换热Nu数的影响均可忽略。实验揭示了在恒热流条件下必须考虑舱内辐射换热,并要对壁面热流作适当修正才能保持模型与原型的相似。还揭示了实测Nu数显著大于数值计算值的原因在于舱内进口气流有很大湍动度,是一种非典型的湍流。这些工作是“消除重力影响的自然对流抑制技术”的重要组成部份。 设计建造了功能完备的空间站内通风换热的地面模拟实验系统。它具有降温、去湿、加温、加湿和风量测控装置保证空气进口参数的恒定与可调,舱壁有加热设备以模拟仪器发热,外壳通冷媒降温以模拟空间低温环境。舱内设有数量众多的温度、湿度和流速探测点,有完善的数据采集系统,并有结露探测和观察设备,为舱内的流动换热与结露研究提供了方便的手段。 对空间站舱内三种通风方案一天花板均匀进风、垂直集中进风和集中斜进风作了系统的地面模拟实验,测定了相应的气流速度分布、温度分布、相对湿度分布以及壁面对流换热系数,并与数值模拟计算结果作了对比。从风速均匀性、温度均匀性、宇航员的舒适性和壁面换热特点等不同角度对三种方案作了分析比较。 对空间站舱内防止结露问题作了初步研究。用数值方法对易结露区域内通风换热的地面实验模拟问题作了分析,提出了实现该区域通风换热相似的具体方法。对防止结露的三种措施进行了实验观察与对比,证明它们都可根据实际情况在舱内的不同部位加以采用。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:1998
【分类号】:V416

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