Title: Thermal Scale modelling of Space Station Cabin

Yunlong Liu, submited in December, 1997

ABSTRACT: The objective of this study is to find a method to simulate the heat transfer of the space station cabin on the ground and to improve the ventilation of the space station cabin under the micro-gravity environ-ment. Based on theoretical analysis, a thermal scale modeling technique wherethe natural convection can be suppressed is applied to the ground simulation of ventilation in a space station. If the model size is properly reduced, the effect of natural convection can be eliminated.By means of numerical analysis, the critical non-dimensional parameter which indicates the negligible effect of natural convection in the mixed convection is Gr/Re**n(n=1.6~2.0).For uniform heat flux condition,a so-called temperature-material preservation technique has been advanced which was widely believed before that the temperature and material can*t be preserved simultaneously if the thermal scale ratio does not equal to unity. Analyses show the reason that the temperature and material can*t be preserved simultaneously for the model lies in that the radiation heat flux doesn't change with the scale ratio. Through the technique of wall heat flux compensation and modification, material, temperature and humidity can be preserved simultaneously. That is to say, when the model size is properly reduced the natural convection can be dramatically suppressed, so that the heat and mass transfer of the ground based model can represent that in the space cabin. Also, the similarity between the model and the prototype in temperature, humidity and flow field of the space station can be obtained on the ground with this preservation technique. Study of ventilation in a space station cabin has been conductedby means of three-dimensional convection-radiation heat and mass transfer modeling. The possible ventilation configuration has been proposed to meet the requirement of the comfort and the homogeneityof temperature, humidity and velocity.

空间站舱内流动和传热的地面模拟及数值分析

文摘

空间站舱内流动和传热的地面模拟及数值分析专业：工程热物理 研究生：刘云龙 指导教师：过增元

在空间站载人舱内有大量仪器设备，这些仪器在工作时散出大量的热量。而宇航员的生存和设备的正常工作又需要舱内要有一定的温度、湿度和风速。为了合理地设计热控方式，就必须对微重力条件下舱内流动和传热传质行为进行系统的研究。 微重力场的流动和传热传质的研究一般可采用数值方法和实验两种方法。数值方法由于易于操作而应用很广，但对于空间站这样大的项目来讲，必须要确保万无一失，在发射之前还必须作充分的地面实验。分析发现，由于在地面有重力存在，地面实验结果往往不能反映微重力条件下的实际情况，为此，本文通过理论分析、数值模拟和模型实验，首先对在重力场模拟微重力场的流动和传热传质的实验技术进行了研究。 由于地面有重力，当有温差存在时，会产生自然对流，而在太空微重力条件下的通风换热为受迫对流，这样在地面上则形成混合对流。自然对流的强弱体现在格拉晓夫数中，分析发现，当Gr/Re**n小于一定值时，可使自然对流对传热的影响很小，从而可忽略由重力引起的自然对流的影响。因为格拉晓夫数随舱的尺寸的三次幂减小，当模型比例适当缩小后，动量方程中浮升力项的影响可以忽略，这样就可以保持基本方程的形式不变，而提高风速又保持了雷诺数不变，实现了流动相似。通过数值分析找到了自然对流影响可以忽略的控制参数。当模型尺寸缩小为原型的1/5时，可实现在地面模拟微重力条件下流动和传热传质，并用实验对自然对流的抑制技术进行了验证。从边界条件的分析发现，在给定热流条件下，要保持模型原型的温度和材料同时不变是不可能的，即必须改变其中之一或损失模拟精度。本文分析发现，要保持缩小尺寸的模型与原型的温度场不变，缩小后的模型舱内的温度梯度随缩比增大，因而对导热流和导热热流均随比例变化。但由于温度保持和舱内几何形状不变，辐射热流不变，根据这一特性，本文通过数值方法解出了微重力场航天器舱内的对流、辐射、导热热流，这样就得到了要实现模型与原型温度、湿度、材料不变要加的壁面热流，通过给定模型调整后热流，就实现了模型与原型各参数的保持，并用以对流—辐射—导热—传质的数学模型，对于均匀通风情况，取得了可实现地面模拟的模型比例。为在地面条件下模拟微重力场的流动和传热提供了一条新途径。 通过建立三维传热传质的数学模型，对于三种通风方式时的传热传质进行了初步分析，并对各方案的温度、湿度、风速的均匀性以及舒适性进行了比较，分析发现，采用狭缝集中进出风的通风方案较好。关键词：微重力，相似模拟，舒适性，混合对流换热，辐射

答辩日期：1997年12月5日 指导教师：过增元（签字）

主题标识: 空间站模拟舱; 微重力; 相似模拟; 舒适性; 混合对流换热; 辐射;

作者: 刘云龙

作者单位: 清华大学工程力学系工程热物理专业

指导教师: 过增元

指导教师单位

清华大学

工程力学系工程热物理专业

指导教师: 梁新刚

指导教师单位: 清华大学

工程力学系工程热物理专业

论文提交日期: 9710

载体外形: 69 ; 26 CM;

分类标识: V416.6

馆藏索取号: D1451

学位级别: 工学博士

文献语种: 汉语

记录来源

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