CC BY
38ШепломассооВменные процессы в конструкциях ЯЛ, энергетических.установоки систем жизнеобеспечения
2. Tikhomirov B. A., Lyong L. K. Sravnenie effektivnosti okhlazhdeniya gazovoy turbiny vozdukhom i parom v kombinirovannykh gazoparoturbinnykh ustanovkakh // Energeticheskie mashiny i ustanovki. 2008. № 1-2. P. 10-19.
3. Andrianov I. K., Grinkrug M. S. Parametricheskaja identifikacija matematicheskoj modeli teploobmennogo processa dlja tonkostennyh krivolinejnyh obolochek turbomashin // Matematicheskoe modelirovanie i chislennye metody. 2016. № 2 (10). P. 24-38.
4. Andrianov I. K., Grinkrug M. S. Chislennyy metod rascheta teplootdachi dlya trebuemogo temperaturnogo
polya na poverkhnosti kontakta lopatki i teplozashchit-nogo pokrytiya pri poperechnoy skheme okhlazhdeniya // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo oblastnogo universiteta. Ceriya «Fizika-matematika». 2015. № 2. P. 34-44.
5. Grinkrug M. S., Andrianov I. K. Chislennyy podkhod k raschetu parametrov okhlazhdayushchego po-toka v kanalakh obolochkovykh elementov turbomashin dlya zadannykh usloviy na poverkhnosti teplootvoda // Internet-zhurnal «Naukovyedyeniye». 2016. Vol. 8, № 1. http://naukovedenie.ru/PDF/25TVN116.pdf1.
© Гринкруг M. е., Андрианов И. К., 2016
УДК 536.2
РАСЧЕТ КОНТУРА С ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ
А. В. Делков, А. А. Ходенков, А. А. Кишкин, Ю. Н. Шевченко
еибирский государственный аэрокосмический университет имени академика M. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Системы терморегулирования космических аппаратов с применением контуров с фазовым переходом теплоносителя являются в настоящее время одними из перспективных. Синтез и анализ таких систем требует разработки адекватных математических моделей. В настоящей работе рассмотрены вопросы вычислительного моделирования контура с фазовым переходом теплоносителя с насосной циркуляцией теплоносителя, определены основные проблемы, приведен пример расчета.
Ключевые слова: контур с фазовым переходом, система терморегулирования, вычислительное моделирование.
NUMERICAL INVESTIGATION OF PHASE CHANGE LOOP OF THE THERMAL CONTROL SYSTEM
A. V. Delkov, A. A. Khodenkov, A. A. Kishkin, Yu. N. Shevchenko
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Space thermal control systems using phase change loops are currently among the most promising. Synthesis and analysis of such systems requires the development of adequate mathematical models. This paper covers the issues of numerical modeling of phase change mechanically pumped loop and example of its calculation.
Keywords: phase change circuit, thermal control system, the numerical simulation.
В настоящей работе рассматриваются вопросы моделирования контура с фазовым переходом теплоносителя системы терморегулирования (СТР) с насосной циркуляцией теплоносителя. Применение таких систем широко распространено в современной космической технике для космических аппаратов (КА) энерговооруженностью свыше 10 кВт. Преимуществами таких контуров являются высокая производительность, повышенные коэффициенты теплоотдачи, возможность термостабилизации объектов охлаждения, снижение удельной массы СТР [1].
Принципиальная схема простейшего контура с фазовым переходом теплоносителя представлена на
рис. 1. Такой контур состоит из двух теплообменных аппаратов - для охлаждения прибора и для сброса тепла в окружающую среду. Для циркуляции теплоносителя в контуре предназначен насос [2].
В процессе работы контура теплоноситель совершает фазовые переходы: при подводе тепла от источника (охлаждаемых приборов) рабочее тело испаряется; при отводе тепла на радиаторе рабочее тело конденсируется. Данная особенность контура обуславливает его преимущества: высокую производительность, повышенные коэффициенты теплоотдачи, возможность термостабилизации объектов охлаждения, снижение удельной массы контура.
<Решетнеес\ие чтения. 2016
согласуется с зонами характерных фазовых состояний (жидкость, пар, двухфазный поток) (рис. 2).
Рис. 1. Принципиальная схема контура с фазовым переходом теплоносителя и насосной циркуляцией
Расчет контура с фазовым переходом теплоносителя вызывает определенные сложности в связи с необходимостью учета взаимосвязи различных элементов контура между собой и с окружающей средой, возможностью реализации контура с помощью различных многозвенных схемных решений, необходимостью постоянного пересчета теплофизических свойств рабочего тела по длине контура и учета трех возможных фазовых состояний - жидкости, пара и двухфазной смеси [3; 4].
Традиционно расчет СТР КА ведется с помощью пакетов прикладных программ. В зависимости от целей расчета пакеты могут быть основаны на решении дифференциальных уравнений в частных производных (анализ с помощью метода конечных элементов) или же на решении интегральных уравнений для сложной системы из нескольких элементов (компонентно-ориентированный анализ).
Потребность в математическом моделировании контуров возникает уже на ранних этапах проектирования системы терморегулирования - при выборе рационального схемного решения, анализе характеристик контура при изменении внешних нагрузок, определении области работоспособности [5].
Авторами на основе системы уравнений течения с теплоотдачей были разработаны модель и алгоритм расчета контура с фазовым переходом теплоносителя системы терморегулирования, позволяющий получить распределение основных параметров по длине участков и определить их эффективность.
Основное преимущество расчетного алгоритма заключается в возможности учета изменения свойств теплоносителя по длине теплообменного контура. Данный подход позволяет определить с приемлемой точностью локальные параметры теплообмена для участков подвода и отвода тепла.
С использованием разработанного алгоритма были произведены численные исследования как отдельных элементов контура, так и системы в целом. На рис. 2. представлены полученные численно профили температуры и коэффициента теплоотдачи для участка подвода тепла (в целях полноты картины для участка предусмотрено наличие зоны нагрева насыщенного пара теплоносителя). Тестирование алгоритма расчета данного участка показало приемлемую сходимость вычисленных характеристик с теоретическими. Значение коэффициента теплоотдачи по длине участка
Рис. 2. Профили температуры и коэффициента теплоотдачи для участка подвода тепла
По графику (рис. 2) видно, что наибольшей интенсивностью теплообмена обладают участки при высоких значениях степени сухости, что делает реализацию этих диапазонов перспективной при проектировании СТР большой производительности.
Разработанный алгоритм расчета делает возможным развернутый анализ характеристик контура при варьировании различных конструктивных и режимных параметров, что позволяет уточнить эффективность отдельных конструкторских и технологических решений при поисковой оптимизации СТР.
References
1. Hanford A. J., Ewert M. K. Advanced active thermal control systems architecture study, NASA Technical Memorandum № 104822, 1996, 196 p. URL: https://ston.jsc.nasa.gov/collections/trs/_techrep/TM1048 22.pdf.
2. Delil A. A. M. Tutorial on single- and two-component two-phase flow and heat transfer: commonality and difference (review), National Aerospace Laboratory NLR, Netherlands, NLR-TP-2001-538, 2001, 11 p. URL: http://www.tak2000.com/data/tutorial_2phaseflow.pdf.
3. Gilmore D.G. Spacecraft Thermal Control Handbook. Volume 1: Fundamental Technologies. - American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), Reston, Virginia, 2002. 836 p.
4. Hugon J. Development of a two-phase mechanically pumped loop (2ФMPL) for the thermal control of telecommunication satellites, Proceedings of International Two-Phase Thermal Control Technology Workshop 2008, 13-15 May 2008, ESTEC. URL: http://www.hso.hu/showbinary.php?did = 282.
5. Delcov A. V., Hodenkov A. A., Zhuikov D. A. Numerical modeling and analyzing of conjugate radia-tion-convective heat transfer of fin-tube radiator of spacecraft. 2015 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 93 012007. URL: http://iopscience.iop.org/1757-899X/93/1/012007.
© Делков А. В., Ходенков A. A., Кишкин А. А., Шевченко Ю. H., 2016
