載人航天器通風氣流模擬及輕量化分析.pdf

1、載人航天器艙內(nèi)的流動換熱及通風系統(tǒng)的研究對于航天器的正常運轉(zhuǎn)非常重要，而目前載人航天器艙內(nèi)的氣流分布設(shè)計還存在著隨意性，需要進行系統(tǒng)研究。本文以航天器工作座艙為研究對象，首先嘗試引入數(shù)值模擬驗證和檢驗的方法，分析不同湍流模型在微重力環(huán)境下座艙內(nèi)對流換熱的模擬結(jié)果，為選擇合適的湍流模型提供參考。然后對大型航天器座艙較多采用的側(cè)送風方式進行了優(yōu)化分析，并對座艙內(nèi)可能采用的其他送風方式進行了模擬，分析它們各自的特點和在航天器座艙內(nèi)的適用性。接

2、著對通風系統(tǒng)進行了輕量化分析。最后，對模擬中出現(xiàn)的氣流分布不對稱現(xiàn)象進行了原因和顯著性參數(shù)的分析。首先，論文分析了艙內(nèi)對流換熱的微重力特點，建立包括紊流模型、輔助模型等在內(nèi)的概念模型，確定數(shù)值方法。針對微重力環(huán)境下的艙內(nèi)氣流模擬中模型選擇的不成熟和載人航天器通風系統(tǒng)對可靠性的特殊要求，嘗試引入驗證和檢驗的方法分析不同模型在微重力下對流換熱的模擬效果，為選擇合適的湍流模型提供參考。由于微重力條件下的艙內(nèi)對流換熱的實驗數(shù)據(jù)不可得，采用熱縮比

3、技術(shù)將常重力下地面模型的實驗結(jié)果轉(zhuǎn)換成微重力下原形的相應參數(shù)，并用其對模擬結(jié)果進行檢驗。在分析載人航天器座艙溫濕度、風速和CO2濃度要求的基礎(chǔ)上，論文分析了座艙熱濕負荷及CO2負荷。為評價各種氣流分布方案的優(yōu)劣，確定了航天器座艙氣流分布的評價指標。針對目前大型載人航天器座艙多采用的側(cè)送風的氣流分布形式，采用正交試驗理論和方差分析方法分析了氣流形式、風口滿布率、送風角度和送風量對通風氣流分布各項性能指標的影響，尋求顯著性因子和最適因子水平

4、。經(jīng)過綜合分析，認為雙側(cè)風口交錯布置的側(cè)上送側(cè)下回、滿布率50%以及15°出風角度組合的側(cè)送方案效果較好。然后，論文分析了單側(cè)送風和在地面常重力下應用成熟的散流器送風、單風口集中送風的氣流分布性能以及在載人航天器艙內(nèi)的適用性。鑒于座艙空氣流動緩慢造成的沉悶的感覺，提出了在座艙較固定的工作位增加工位送風，比較了有無工位送風時乘員附近的空氣品質(zhì)，認為工位送風可以在降低總風量的情況下保證乘員工位區(qū)較好的空氣品質(zhì)，符合輕量化原則。在分析載人航天

5、器通風系統(tǒng)質(zhì)量主要影響因素的基礎(chǔ)上，以風管質(zhì)量與功耗當量質(zhì)量之和為目標函數(shù)，以風速和空間限制下的管道尺寸為優(yōu)化變量，優(yōu)化了雙側(cè)送風和單側(cè)送風在特定布置方案下的系統(tǒng)質(zhì)量，得到了最優(yōu)的管道風速范圍和管道尺寸，同時分析了系統(tǒng)質(zhì)量隨風量的變化關(guān)系。對雙側(cè)送風和單側(cè)送風在其它布置方案下以及散流器送風的系統(tǒng)質(zhì)量也進行了分析，比較了不同布置方案的管道系統(tǒng)質(zhì)量，并分析了通風系統(tǒng)采用圓形管道時的系統(tǒng)質(zhì)量。最后，針對模擬中出現(xiàn)的氣流分布不對稱現(xiàn)象，根據(jù)射流