近地热环境参数对航天器温度影响浅析

近地热环境参数对航天器温度影响浅析（精选6篇）

篇1：近地热环境参数对航天器温度影响浅析

近地热环境参数对航天器温度影响浅析

介绍了目前国际上普遍采用的近地轨道热环境参数与传统参数之间的`差异.对不同轨道的两个航天器,分别按两种参数取值进行了温度计算.结果表明,与国际上目前采用数值相比,采用传统的热环境参数值会使得计算的高温工况外热流偏低,而使低温工况时外热流偏高,从而对航天器内部温度会造成1℃～2℃的偏差.

作 者：钟奇 文耀普 李国强 ZHONG Qi WEN Yaopu LI Guoqiang 作者单位：北京空间飞行器总体设计部,北京,100094刊 名：航天器工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENGINEERING年，卷(期)：16(3)分类号：V525 TP31关键词：近地轨道 热环境参数 外热流

篇2：近地热环境参数对航天器温度影响浅析

研究了环境温度对萘酐(C10H6O2)粉尘爆炸参数的影响,得到了随着温度的升高,最大爆炸压力峰值变化不大;而最大压力上升速率增大,爆炸下限浓度降低,安全氧含量也会降低.根据化学动力学理论对这一影响进行了分析.

作 者：吴建星 龚友成 金湘 WU Jian-xing GONG You-cheng JIN Xiang 作者单位：吴建星,WU Jian-xing(武汉科技大学,武汉,430081)

龚友成,金湘,GONG You-cheng,JIN Xiang(中钢集团武汉安全环保研究院,武汉,430081)

篇3：近地热环境参数对航天器温度影响浅析

在涡轮叶片中, 气膜孔位置、冷气喷射方向和气膜孔个数[1]对叶栅流道内燃气主流影响很大。姚玉等[2]研究了沿吸力面不同弦向位置处开设气膜孔对气膜冷却效率的影响, 表明靠近前缘处的气膜孔冷却效率比靠近尾缘处的高;Gritsch等[3]测量了角度对圆形孔流量系数的影响, 倾斜角越大, 流量系数越小;许卫疆等研究了气膜孔径向角度对冷却效率的影响, 表明随着径向角的增大, 冷却效率呈先降低后升高的变化。乔渭阳等[4]对叶片表面不同位置气膜孔喷冷进行研究, 结果发现, 吸力面后部减速扩压流动区域的气膜孔喷气, 使得叶片表面边界层变得更加饱满, 涡轮叶栅损失降低。郭婷婷等[5]用数值方法模拟了射流出射角度对气膜冷却流场的影响, 表明出射角度为负值或零时在射流喷口背风侧流动存在分离, 为正值时随角度的减小射流喷孔下游背风侧的分离现象逐渐消失。

本文应用参数化方法, 以某型涡轮第一级导叶为研究对象, 采用自编程序对两种气膜冷却方式完成设计, 并使用Ansys CFX数值模拟, 对气膜冷却特性进行了研究, 分析两种不同气膜冷却方式对冷却效率及叶片表面温度分布的影响。

1 参数化方法网格自动生成

采用哈尔滨工业大学参数化程序[6]实现气膜孔的参数化, 并通过无量纲叶片弧长和无量纲叶片半径控制气膜孔中心位置, 如图1所示, mcr及xcr在区间[0, 1]变化。首先确定气膜孔列所在壁面, 叶片的吸力侧或压力侧;然后在该壁面建立m-x随体坐标系, 定义吸力侧根部起始点坐标为[0, 0], 吸力侧根部终止点坐标为[1, 0], 吸力侧顶部起始点坐标为[0, 1], 吸力侧顶部终止点坐标为[1, 1], 这样每个孔中心位置就能够通过坐标[m, x]唯一确定。确定了气膜孔中心位置之后, 以孔中心点为坐标原点建立局部坐标系, 孔的轴线方向矢量由m-坐标系的m轴方向和m-x叶片表面法向确定。在三维空间中, 通过一点来确定一个矢量至少需要两个方向的单位矢量, 即两个角度。参数化方法角度设计有两种方法供使用者选择, 一种是通过弦向倾角和径向倾角确定所需矢量方向, 这种方法在实际测量控制中使用不方便, 主要应用于某些已有的冷却结构;另一种确定方法是将孔轴线投影到叶片表面, 获得其与弦向的夹角α1, 然后结合孔轴向与叶片表面的夹角α2确定所需矢量方向, 这种确定方式较为普遍, 大多数的气膜孔设计倾向于使用这种方法。

两种角度定义方法可以相互转化, 转化公式如下:

为了明确气膜孔的改变对叶栅气动效率和叶片冷却效果的影响, 取两种明显不同的孔布置方式, 通过对比分析可以得出气膜孔位置和形式对叶栅气动及冷却的影响。如表1所示, A方案为四列气膜孔, B方案为六列气膜孔, 给出了不同方案的气膜孔位置和孔方向。气膜孔进口条件为冷气流量和总温, 方向垂直孔进口表面。各参数意义为:nh为单列气膜孔数量, sf为气膜孔所在叶片壁面, -1为吸力侧, 1为压力侧, dh为气膜孔截面直径, 单位为mm, px为气膜孔径向无量纲位置, 0为叶根, 1为叶顶;pm为弦向无量纲位置, 0表示前缘点, 1表示尾缘点, 为气膜孔轴线在叶片表面上投影与弦向的夹角, 0表示弦向, π/2表示径向, θ为孔轴线与叶面的夹角, π/2表示法向。气膜孔的网长度皆取1.2 mm。

采用哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心自主开发的H_2D网格自动生成程序划分所需的计算网格, 网格拓扑结构采用O-4H拓扑, 在气膜孔流体域采用O型网格, 同时为了保障孔的形状在网格中不发生变形, 每个孔在径向和弧长方向至少划分3个网格。

在劈缝位置, 对流体域进行参数化, 如图2所示。首先, 在叶片各个截面处, 由吸力侧和压力侧之间的劈缝长度确定压力侧斜劈缝位置;其次通过吸力侧压力侧壁厚比sd/pd和劈缝宽度d确定劈缝位置及宽度;最后在叶展区域给定一定的劈缝生成高度, 即从叶片根部x1高度起开始生成劈缝, 到顶部h-x1高度处停止生成劈缝, h为叶片高度。在根部和顶部位置劈缝均采用局部均匀过渡形式, 保证了网格质量;同时为在劈缝处流体域添加附面层网格, 劈缝与流道叶栅网格并不一一对应, 这需要在CFX-pre中添加交界面。在叶片其他部位, 相关网格交界面均一一对应, 并自动相连。

计算采用标准k-ε模型, 网格总数约为283万, 经过网格无关性验证, 第一层网格厚度选为1×10-5m。计算网格示意图如图3所示。

2 边界条件

由于本计算采用ANSYS公司的CFX计算软件, 该软件在CFX 14.0之前并没有添加径向平衡方程, 因此, 出口必须给定静压沿叶高分布才符合实际情况, 出口静压沿叶高分布如图4。

由于该涡轮叶片为燃气涡轮第一级导叶, 燃气从燃烧室进入燃气涡轮的入口方向为轴向, 给定涡轮叶栅的进口气流方向为轴向进气, 在进口位置边界条件仅仅需要给定进口总温总压即可, 设计中不考虑燃烧室出口的温度以及压力的不均匀性。为便于对比, 冷气进口给定流量及总温。为了准确模拟冷气喷射对效率的影响, 计算中采用多组分计算, 即燃气给定一定的物性, 而从其余的冷气采用理想气体, 其在流道内是一个复杂的掺混过程。燃气Cp随温度变化见图5。

3 计算结果分析以及对比

气动分析的目标为气冷叶栅的气体动力学效率, 采用叶栅后混合气体动能和主气流及冷却空气的可用能之和的比值表示[7], 如式 (2) 所示。

Gr为叶栅进口处的燃气流量, 为通过叶栅的冷却空气的总流量, c1表示冷却叶栅后的混合气体平均速度, Hr表示主气流可用能, HBi表示冷却气体可用能。

为了分析气膜孔参数在叶片表面覆盖情况, 另外给出了叶片无量纲平均壁温参数。无量纲方式以耐受温度为参考, 无量纲定义式为

式 (3) 中T为绝对温度, TM为耐受温度, 为无量纲后温度。两个方案一维数据对比如表2所示。

从表2中可以看出, 在气动效率方面, 采用四列孔的A方案较采用六列孔的B方案低。这一差别的原因是, 相比于B方案, A方案的气膜孔总数相对较少, 导致单孔的出流流量的较大, 由连续性方程可知, 单孔流量增大, 但横截面积不变, 这样造成单孔的出流速度增大;由于单孔的冷气出流速度和流量相对增大, 单孔射流的动量随之增加, 进而叶片表面附面层的扰动增强, 由此增大了冷气掺混损失。同时, 在A方案中, 叶片吸力侧中部存在气膜孔, 由叶栅流道分析可知, 流道叶栅吸力侧喉部位置的流动Ma较大;根据经验公式, 冷气掺混损失与Ma的平方成正比, 因此这样更加增大了这部分的冷气掺混损失。在考虑冷气的涡轮气动设计中, 多数倾向于设计多列气膜孔, 并尽量避免在吸力侧喉部附近位置设置气膜孔。

由叶片无量纲平均壁温可知, B方案叶片无量纲平均壁温较A方案降低11.68%, 且从图6可以看出A方案高温区域面积远大于B方案, 在某些位置冷气甚至没有覆盖叶片表面。这主要是因为, 在A方案中, 单孔吹风比较大, 射流易穿透流动附面层进入主流, 这样气膜孔喷射的冷气并没有很好地在叶片表面形成气膜, 且增大了附面层扰动强度, 破坏了上一列孔形成的冷气气膜;同时气膜孔较少时, 冷气在叶片表面的覆盖面积较小, 气膜均匀度较差, 因此在不导致气膜孔冷气倒灌和保证单孔冷气流量较小的前提下, 应当尽可能多地布置气膜孔列。叶片吸力面喉部为叶片间横向二次流与马蹄涡交汇产生通道涡的位置, 当在该位置喷射冷气时, 难以在喉部表面形成均匀有效的气膜覆盖。

上述分析表明, 在气冷涡轮叶栅设计中, 单纯考虑气冷叶栅性能, 仅仅靠源项法将冷气喷射出去, 而忽略气膜孔布置的气动设计是不精确也是不完整的;同时, 仅考虑冷却效果, 布置气膜孔而忽略了气膜孔的布置方式对气动效果的影响也是不合理的, 在未来的设计中考虑冷却的涡轮气动设计是十分必要的。因此, 冷气与主流一体化设计在未来的气冷涡轮设计中, 应该成为一个主导设计体系。

4 结论

通过对两种形式的气膜冷却结构进行研究, 得出以下结论:

(1) 六列气膜孔相比四列而言, 气动效率提高0.3%, 在总流量不变的情况下, 增加列数, 可降低单列孔内冷气动量, 减弱冷气与主流的掺混效果, 降低了损失。

(2) 六列气膜孔冷却效果优于四列气膜孔, 气膜孔较少时, 冷气在叶片表面的覆盖面积较小, 气膜不均匀度增大, 同时四列气膜孔冷气易穿透流动附面层进入主流, 不能有效形成气膜, 且增大了附面层扰动强度, 会破坏上游的冷气气膜。叶片表面无量纲温度降低了11.68%。

参考文献

[1] Goldstein R J, Jin P.Film cooling downstream of a row of discrete holes with compound angle.ASME Paper, 2000-GT-248

[2] 姚玉, 张靖周, 何飞, 等.涡轮叶片吸力面气膜冷却效率的数值研究.航空动力学报, 2010;25 (6) :1245—1250

[3] Gritsch M, Schulz A, Wittig S.Effect of crossflows on the discharge coefficient of film cooling holes with varying angles of inclination and orientation.ASME Journal of Turbomachinery, 2001;123:781—787

[4] 乔渭阳, 曾军, 曾文演, 等.气膜孔喷气对涡轮气动性能影响的实验研究.推进技术, 2007;28 (1) :14—19

[5] 郭婷婷, 金建国, 李少华, 等.不同出射角度对气膜冷却流场的影响.中国电机工程学报, 2006;26 (16) :117—121

[6] 王松涛, 迟重然, 温风波, 等.涡轮动叶冷却结构设计方法I:参数化方法.工程热物理学报, 2011:581—584

篇4：近地热环境参数对航天器温度影响浅析

关键词：CFD模拟技术；鸡舍；温度场；浅层地热

中图分类号： S126文献标志码： A

文章編号：1002-1302（201412-0442-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2013-12-31

作者简介：郭仁宁（1956—，男，辽宁省阜新人，硕士，教授，从事传热过程理论与节能技术研究。E-mail：guorenning123@163com。

根据《2009—2012年中国禽类养殖市场研究与发展前景分析报告》研究显示，从当前我国市场需求和家禽发展态势来看，肉鸡与蛋鸡具有较强的竞争力和开发潜力。鸡的发展以蛋鸡和肉鸡为主，其中土鸡、优质黄羽肉鸡更是优势鸡种。目前，国内众多学者在环境对蛋鸡、肉鸡产蛋及生长的影响上进行了多方面的研究，结果表明鸡舍的温度、湿度、通风都是直接影响蛋鸡、肉鸡的生长以及产蛋量的重要因素[1-3]。因此，鸡舍温控是获得较高经济效益的重要措施之一。目前地源热作为一种新型能源已经被应用于建筑业，并已经成为建筑节能的一种重要方法 。利用浅层地源热为鸡舍提供温控热源可以有效减少维持鸡舍温度稳定所消耗的能源。

由于浅层土壤具有较差导热能力以及较强的蓄热能力，其温度随季节变化程度相对空气温度较小，且与空气温度存在较大温差，可以为鸡舍提供相对稳定的温控热源。本研究以后壁与浅层土壤相接鸡舍为研究对象，采用Gambit软件建立模型，并对其划分网格，然后用Fluent软件对鸡舍内部温度场进行模拟，得出其温度分布，对比普通鸡舍温度分布，分析浅层地热对鸡舍温度的影响。

1数学模型

在数值计算时认为空气是连续、非稳态、不可压缩的牛顿流体。空气满足理想气体状态方程：PV=nRT，式中：R为常量；P为压强，Pa；V为气体体积，m3；n为气体的物质量，mol；T为开氏温度，。

计算区域控制方程满足质量守恒方程和动量守恒方程。

（1质量守恒方程（连续性方程：

[HS2][J][SX（]ρt[SX]+div（ρu[DD（-1][HT7]→[DD]=0。

（2动量守恒方程：

[HS2][J][SX（]（ρut[SX]+div（ρuu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Px[SX]+Su；

[HS2][J][SX（]（ρυt[SX]+div（ρυu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Py[SX]+Sυ。

（3能量守恒方程：

[HS2][J]ρ[JB（（][SX（]Ht[SX]+ux[SX（]Hx[SX]+uy[SX（]Hy[SX][JB]=[SX（]λcp[SX][JB（（][SX（]2Hx2[SX]+[SX（]2Hy2[SX][JB]+Sh

式中：ρ为密度，kg/m3；μ为动力黏度，N·s/m2；P为压力，Pa；u为速度，m/s；Su、Sυ是动量守恒方程的广义源项：

[HS1][J]Su=Fx+sx，Sυ=Fy+sy。

而其中的sx和sy的表达式如下：

[HS2][J]sx=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]ux[SX][JB]+[SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υx[SX][JB]+[SX（]x[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]；

[HS2][J]sy=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]uy[SX][JB]+[SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υy[SX][JB]+[SX（]y[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]。

式中：λ为第2黏度，一般可取λ=-2/3。假设空气黏性为常数。

选取层流模型与以上控制方程形成封闭方程组，对组成的封闭方程组进行数值求解，获得鸡舍内部温度分布图。

2物理模型

考虑鸡舍具有高度对称性，取其横向剖面，将其简化为二维模型：鸡舍壁高2 m，地面距屋顶28 m，跨度6 m。鸡舍后壁（模型中为左侧1 m以下与土壤相接。屋顶人字坡材料选择石棉板，鸡舍墙壁选择红砖。石棉板厚度0015 m，墙体厚度02 m。将此类鸡舍记为1号鸡舍，鸡舍壁面物性参数如表1所示；则记普通鸡舍为2号鸡舍。设定空气为理想气体，其密度随温度变化关系为：ρ=t0ρ0/t，式中：t0=27315 ，即 0 ℃；t为温度，；ρ0=139 kg/m3。

[F（W8][HT6H][J]表1壁面物性参数[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W5，W8。3W]材料密度（kg/m3导热率[W/（m·]比热容[kJ/（kg· ℃]

[BHDG12]土壤2 5322000769

[BHDW]石棉板1 3686975816

红砖1 4620490857[HJ][BG）F][F）]

3模型结果分析

31冬季保温分析

参考相关文献中的温度[5]，设定冬季空气温度为 -131 ℃，1号鸡舍地面温度取1 ℃，由于左侧壁面与土壤接触，温度自上而下不断增加，因而选取其均值-1 ℃；2号鸡舍地面温度取-16 ℃。在无任何热源情况下，对鸡舍内温度和速度场进行模拟，鸡舍冬季温度随宽分布如图1所示。

[F（W12][TPGRN1tif][F]

比较图1中2条曲线可以看出，在冬季外部温度为-131 ℃、无任何热源情况下，1号鸡舍的主体空间温度约为-7 ℃，2号鸡舍主体空间温度约为-9 ℃，两者相差约 2 ℃；在靠近边界热源处，两者温度相差更多。2条曲线之间的温度差异显示，利用浅层地源热可有效改善鸡舍内温度环境，使鸡舍在冬季能够保持相对较高的温度，进而节省冬季保暖所消耗的能源。两者出现如此温度差，一方面是由于1号鸡舍存在着较高热源，另一方面与鸡舍内自然对流有关。鸡舍速度矢量图如图2、图3所示。

[F（W9][TPGRN2tif][F]

[F（W8][TPGRN3tif][F]

模拟结果显示，2种鸡舍内的空气自然对流形式大致相同，都是左右分别形成2个漩涡；1号鸡舍自然对流强度明显高于2号鸡舍。1号鸡舍空气上升速度高于2号鸡舍，因此认为，1号鸡舍室内冷空气与地面及左侧墙壁换热明显好于2号鸡舍。

2号鸡舍内的冷空气仅与地面换热，因而其温度两侧速度均衡对称，由于底部空气温度较高，所以其速度相对较大并向上运动，换热过程已经达到稳态；室内空气温度高于靠近四壁的空气温度，故靠近四壁的空气向下运动，室内空气向上运动，形成对称的漩涡状流动，漩涡中心温度趋于平稳。

1号鸡舍内部冷空气与左侧下部及地面换热，空气速度明显高于2号鸡舍，因此换热效果更加显著，平均温度高于2号鸡舍。靠近四壁的冷空气向下运动；左侧下降至1 m与土壤相接处，空气与土壤换热，速度变小，温度变高，转化为热空气上升，左侧换热强度较大，所以上升速度较快，产生漩涡较小，上升气流向左偏移，且中间没有下降气流。鸡舍右侧漩涡较大，漩涡中心温度稳定。整体可见，1号鸡舍整体平均温度高于2号鸡舍。

根据模拟结果，形成2种鸡舍的温度差异的原因为：（1地面热源存在温差；（21号鸡舍左侧有1 m高的热源，可以与左侧空气吸收热量，而2号热源左侧为冷源，空气在整个左侧释放热量，使得空气中的热量损失比较大。

32初夏降温分析

参考相关文献中的温度[5]，设定初夏空气温度为20 ℃，1号鸡舍地面温度取142 ℃，左侧壁面与土壤接触处取15 ℃；2号鸡舍地面温度取空气温度161 ℃。在无任何热源情况下，对鸡舍内温度和速度场进行模拟。鸡舍初夏温度随宽分布如图4所示。

[F（W11][TPGRN4tif][F]

比较图2中2条曲线可以看出，在外部温度为1850 ℃且无任何热源情况下，1号鸡舍的大部分空间温度约为 1675 ℃，2号鸡舍主体温度约为1755 ℃。两者相差约 080 ℃。由于土壤温度变化随空气温度变化程度相对较小，因此在外部温度持续升高的情況下，温差会继续扩大；在靠近边界热源处，两者温度相差更多。配合夏季通风，可有效降低鸡舍内部温度。2条曲线之间的温度差异显示，在初夏利用浅层地源热可降低鸡舍内温度环境，使鸡舍在夏季能够保持相对较低的温度，鸡舍环境更加适合鸡的生长、产蛋。

鸡舍速度矢量图如图5、图6所示。模拟结果显示，夏季2种鸡舍内的空气运动速度明显低于冬季，这是由于初夏外界空气温度相对较高，空气密度自下而上近似降低，不利于自然对流的形成。1号鸡舍自然对流强度略高于2号鸡舍自然对流强度。2种鸡舍速度矢量图的左侧差异较大，这是因为1号鸡舍左侧墙壁存在1 m高的土壤冷源，进而使得1号鸡左侧换热较为明显。

冬季2种鸡舍温度相差约为2 ℃， 而初夏2种鸡舍温度

[F（W9][TPGRN5tif][F]

[F（W9][TPGRN6tif][F]

相差仅为08 ℃。在两者浅层地热与地表温度的温差相近的情况下，初夏2种鸡舍温度温差明显降低。此现象表明，夏季由于自然对流较难形成，从而降低了浅层地热的温控效果。但考虑到夏季鸡舍能保持较大的通风，因此其实际温度差将大于08 ℃。

4结论与讨论

本研究基于计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD模拟技术，在忽略其他环境因素、单独考虑浅层地热的情况下，采用层流模型对利用浅层地热为热源的鸡舍进行了2-D温度场求解，得出了鸡舍内部温度分布与速度矢量图，较为真实地反映了浅层地热影响下的鸡舍温度分布。

通过对1号、2号鸡舍在冬季和初夏的主体空间内速度分布分析可知，冬季浅层地热影响下，鸡舍的主体空间自然对流强度较高；左侧墙壁1 m高的热源，为换热提供了高温热源，使得空气运动速度变大，有利于热传递，空气能够较好地吸收热量；热空气能迅速充满鸡舍主体空间。夏季浅层地热影响下，鸡舍的主体空间自然对流强度较弱。

通过对1号、2号鸡舍在冬季与初夏主体空间温度分布的对比分析可知，在冬季，浅层地热可提高鸡舍内部温度，降低维持鸡舍温度的能源消耗；在夏季，浅层地热在无通风条件下对鸡舍降温能力较差，但夏季鸡舍能够保持良好的通风环境，其降温能力会得到加强。

[HS21][HT85H]参考文献：[HT8SS]

[1][（#]化秋梅 肉种鸡产蛋性能的影响因素与预防[J] 中国畜禽种业，2011，7（5：123-124

[2]施海东，于文天，孙敏 如何做好鸡舍温度控制[J] 中国畜牧杂志，2011，47（14：65-68

[3]吴薇薇 炎热环境下怀乡鸡生长性能、脂肪沉积特性及脂联素受体基因（AdipoRs表达研究[D] 湛江：广东海洋大学，2012：6-10

[4]杨卫波，施明恒 基于地热能利用的生态建筑能源技术[J] 能源技术，2005（6：251-256

篇5：近地热环境参数对航天器温度影响浅析

关键词：同轴电缆,传输参数,等效热路,等效电路

0引言

在汽车电路中,同轴电缆作为一种输送能量和传递信号的装置被广泛使用,从而实现汽车电路的功能及要求。在对汽车发动机进行振动特性测试时,由于测试环境温度以及信号频率的变化,引起传输导体内温度的变化,使其自身的电参数不再处于恒定值,这将会对信号传输产生影响。

目前,对同轴电缆信号传输参数的研究主要集中于微波信号或高速信号电路的多导体耦合参数提取［１］、高频信号在互连线终端响应［２］以及频变传输参数的提取等［３］;在热源确定方面,对同轴电缆传输参数受温度影响的因素主要集中于外界环境温度方面［４］。 本文针对同轴电缆在温度-频率变化下的信号传输性能问题,分析其在焦耳热和环境温度共同影响下的温度分布。

1同轴电缆的等效热路模型

单导体同轴电缆结构如图1所示。根据电学与热学的相似性,以公共接地点为参考点,以其他节点与参考点之间的温度为节点温度构造等效热路模型,如图2所示。其中,T１、T２、T３和T４分别为内导体、绝缘层、外导体和环境的温度;R′１、R１、R′２、R２和R３分别为内导体、绝缘层、外导体、外护套和环境的热阻,由于金属导体热阻很小,在计算时R′１和R′２可忽略;Q１、 Q′１、Q２和Q′２分别为内导体、绝缘层、外导体和护套的单位长度发热量(W/m),实际中Q′１和Q′２发热量很小,可以忽略不计。

应用节点电压法可分别列出T１、T２、T３的节点方程:

由式(1)、式(2)、式(3)可以得到简化矩阵:

2同轴电缆的等效电路模型

由传输线理论可知,电报方程能够反映传输线上电压、电流的变化规律,其中对电压、电流分布的主要影响因素为传输线单位长度的电阻R、电感L、电容C、电导G,而这些参数又是关于温度-频率的变量, 传输参数的改变将最终影响到信号的有效传输。

图3为传输线的离散等效电路模型,该模型将传输线分解为一系列串接的小单元或标准长度的小段,每一段的模型由一个串联阻抗Z和一个并联导纳Y构成。串联阻抗Z由电阻R和与其串联在一起的电感L组成,并联导纳Y由电导G和与其并联的电容C组成。

3等效电路参数

汽车同轴传输电缆中信号频率多为中低频,电缆的内外导体则形成电路回路。由同轴电缆输入阻抗Z可知,其实部为电缆单位长度电阻,即:

同理,由输入阻抗Z可知单位长度电感位于虚部,即:

其中:ω 为角频率。

对于同轴电缆电容的计算,从能量的角度出发, 有:

其中:Wｅ为电缆空间储存电能;U为内外导体电压差。

同轴电缆电导的计算与电容C以及频率f密切相关,可由下式得出:

其中:tan(δ)为损耗角正切,δ为介质损耗角,本文损耗角正切取0.000 2。

4电热耦合分析

4.1电磁-热耦合数学模型

根据热传导方程,采用加权余数法以及能量守恒原理,同轴电缆内外导体瞬态热平衡方程以矩阵形式可表示为:

其中:c(T)为热容矩阵;K(T)为导热系数矩阵;Q(T, t)为发热量。

利用变分原理对导电控制方程进行离散,得到:

其中:ξ(U)为介电矩阵;K(U)为导电矩阵;I为电流。

联立式(10)和式(11)即可得到电热耦合的有限元方程:

4.2实例分析

本文所研究同轴电缆处于同一温度环境中,所以忽略电缆轴向温度梯度。电缆温度升高的热量主要来自两部分,即电缆自身焦耳热和外部环境传热,外部环境与同轴电缆外表皮为强制对流,这些因素共同决定了同轴电缆的温度。

图4为信号完整回路,采用场路耦合的方法,使内外导体形成回路。其中,VＳ为信号输入源,RＳ和RＬ为源端和终端电阻,RＳ=RＬ=50Ω,形成阻抗完全匹配。分析采用的导线为同轴电缆,传输导线的长度为1m,外部环境温度为20 ℃ ~300 ℃;频率范围为500Hz~5 000Hz(中低频),信号电流有效值为1 A。 表1为所研究同轴电缆20℃的物理特性。

由给定的条件通过分析计算可以得出电感、电阻、 电容和电导的温度- 频率变化特性,分别见表2~ 表5。

由表2可知,单位长度电感随温度的升高而增大, 随频率增加而减小。

H×10-6

Ω×10-2

由表3可知,电阻随温度和频率的增加而增大,但是其随频率增加的幅度有限,在中低频段同轴电缆单位长度电阻受频率影响较小。

F×10-11

由表4可知,电容受温度-频率影响基本可以忽略不计。

S×10-10

由表5可知,电导随温度增加而减小,随频率增加在增大。

5结论

篇6：近地热环境参数对航天器温度影响浅析

工业现代化飞速发展,各种环境问题的加剧,使人们越来越清醒地认识到节约资源、节省能源、改善环境对于提高人类生活质量和社会可持续发展的重要性。轻量化是可持续发展的重要途径之一,而铝合金质量轻,比强度高,是金属材料轻量化的首选。近年来,铝合金在工业中的应用越来越广泛,铝及铝加工技术也随之飞速发展[1]。铝合金作为最常见的有色金属,是工业中应用最广泛的结构材料之一,已大量应用于航空、航天、汽车、高速列车、机械制造、船舶及化学等工业中。随着工业现代化的飞速发展,各领域对铝合金焊接结构件的需求日益增多,工业应用的需求,使铝合金焊接的研究也随之深入。

与钢和其他有色金属相比,铝合金具有优良的物理、化学性质,力学性能及工艺特性,在现代科技及高新工程发展过程中展现了强大的适应能力。铝及铝合金质量较轻,密度仅为钢密度的1/3,仅仅高于镁合金,因而具有很高的比强度和比模量。铝合金在热处理强化后可获得接近超高强度钢的比强度,而比模量接近于高强度钢,因此非常适合于用作轻质承载结构件。铝的熔点较低,为660℃,化学性质活泼,极易氧化从而在表面生成一层附着力强而熔点高的氧化膜Al2O3(熔点为2 050℃)。铝具有较高的导电率和导热率,分别约为低碳钢的6倍和5倍,线膨胀系数和比热均2倍于低碳钢。

理化性质的不同,使得铝及铝合金在焊接工艺上与钢有许多不同之处。表面的高熔点氧化膜会妨碍焊接过程的进行以及引发缺陷,因此在焊接前需要打磨以将其去除,在焊接过程中一般需采用保护气体以防止焊接区发生氧化。由于铝及铝合金较高的比热、电导率和热导率,在焊接过程中尤其是电阻焊时,所需的焊接热输入远大于钢件焊接,对焊接设备功率要求较高。由于其较大的线膨胀系数,焊接后焊件尺寸变形及裂纹倾向也较大,焊接过程中需要采取相应的措施。除此之外,铝及铝合金焊接时温度的变化不会像钢件焊接那样引起颜色的变化,因而对操作要求较高[2]。同时,高强铝合金如2XXX和7XXX系列铝合金用传统熔焊的方法无法焊合的问题难以解决,使得对新的焊接方法的研究尤为重要。

搅拌摩擦焊接(friction stir welding,FSW)是一种新型的固相连接技术。搅拌摩擦焊接工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接,它的出现使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革,成为自激光焊之后最引人注目的焊接方法。

1 搅拌摩擦焊概述

搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术,1991年由英国焊接所(TWI)发明,最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接[3,4]。

搅拌摩擦焊过程涉及到一个无损耗的搅拌工具,由轴肩(shoulder)和搅拌针(pin)组合而成。在焊接过程中,搅拌工具在高速旋转(tool rotation)的同时,在一定的下压力(downward force)作用下,轴肩与工件紧密接触,并沿着焊缝方向(welding direction)移动。搅拌工具与工件的剧烈摩擦产生高温使材料塑化(熔点之下),进而在搅拌工具的运动下发生流动和混合,在搅拌工具后侧的挤压作用下实现固相连接[5],留下焊接区域(friction stir welded region)。在焊核区(nugget)两边,搅拌工具线速度与焊接方向一致的一侧称为前进侧(advancing side,AS),反之则为后退侧(retreating side,RS)。在搅拌摩擦焊过程中,材料在高温下发生剧烈的塑性变形,在焊核区得到均匀、细小、等轴状的再结晶晶粒,细晶强化带来良好的焊缝力学性能[6]。

根据组织结构的区别,搅拌摩擦焊后焊缝材料可分为4个部分:焊核区(nugget zone,NZ),热机械影响区(thermal mechanical affected zone,TMAZ),热影响区(heat affected zone,HAZ),以及母材区(base material,BM),如图2所示。其中焊核区同时受到轴肩和搅拌针的影响[7],所承受的热输入最高,材料的塑性变形也最为剧烈,焊核区材料得以发生充分的动态再结晶,得到细小的晶粒结构,一般来说,晶粒内部位错密度低。热机械影响区的热输入和塑性变形程度相较于焊核区降低,但由于同时承受热影响和机械作用,热机械影响区材料会呈现出一种高度变形的组织结构,如图3所示,与母材区扁平晶粒结构相比,热机械影响区晶粒呈现一种向上拉长变形的形貌。尽管经历了较为剧烈的塑性变形,然而由于变形应力的不足,热机械影响区材料并未发生再结晶。通常热影响区晶粒结构中含有高密度的亚晶结构。热机械影响区作为焊核区和热影响区的过渡,是搅拌摩擦焊焊缝不同于传统熔焊的重要一环。热影响区距离搅拌工具较远,只有温度的升高,材料基本不发生塑性变形。然而由于仅受温度的影响,热影响区晶粒会发生一定程度上的长大,导致组织粗大,力学性能下降,可能成为焊缝的薄弱环节。母材区为较热影响区更远的部分,既未受到机械影响作用也未受到明显的热影响,从而保持待焊材料本身的晶粒结构。

搅拌摩擦焊中,大部分的热输入来自轴肩与待焊材料的摩擦,而且轴肩对材料塑性变形的作用十分明显,离轴肩越近的材料,所承受的热机械影响越大,与轴肩直接接触的材料,由于强烈的动态再结晶,会形成一层非常均匀细小的晶粒结构。此外,由图2可观察到,焊核区前进侧与后退侧的组织有明显差异,一般前进侧材料与母材区分界线十分明显,而后退侧界线则相对模糊,这是由于前进侧材料与搅拌工具相对运动更加剧烈,发生的塑性变形更为严重,这也预示着前进侧材料流动与混合更为充分。

2 搅拌摩擦焊的优点及应用

搅拌摩擦焊接的发明,解决了2XXX、7XXX系列高强铝合金传统熔焊难以焊接的问题,同时相对于传统熔焊,有着以下的优点[8,9]:

1)固相焊接:焊核区材料在固态的条件下发生再结晶,避免了产生类似于熔焊过程中的粗大凝固组织,而且焊缝缺陷较少,焊接温度较低,从而工件热变形和残余应力小,有利于实现大型结构件的精密焊接;

2)制造成本低:焊前无需增加开坡口的工序和特殊清理,焊接过程中无需金属填料、保护气体或焊剂,能量消耗比熔焊大幅降低,还可以实现水下焊接;

3)绿色环保:没有烟尘、飞溅、强弧光、辐照和辐射等污染,焊接过程噪音低;

4)机械/自动化:焊接过程可直接在铣床上进行,操作过程简便,无需传统焊工的技术等级培训,人为因素影响小,焊头质量重复性好,易于实现自动化;

5)工艺容允度大:可实现不同厚度板材的焊接,允许对接间隙容差0.1 t(t为板厚);

6)焊缝表观好:搅拌摩擦焊焊缝表面较为平整,无明显的突起,无须后续表面处理;

7)力学性能好:焊合区再结晶晶粒结构细小,细晶强化带来疲劳、断裂及弯曲性能明显优于熔化焊,且接头力学性能各向同性。

近年来,搅拌摩擦焊的各种优点吸引了各工业领域的关注。在国外,搅拌摩擦焊接已经在船舶制造、轨道车辆、航空航天、汽车制造等工业领域达到规模化、工业化的应用水平。挪威MARINE公司于1996年成功将搅拌摩擦焊接应用于快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。日本日立公司于1997年将搅拌摩擦焊接成功应用于列车车体的快速低成本制造,实现了大型铝合金板材的工业化制造。搅拌摩擦焊已成功代替传统熔焊在航空航天领域的应用,实现了大空间运载工具如运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造,美国波音公司的DELTAⅡ型和Ⅳ型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊接制造,并于1999年成功发射升空。2000年,美国TOWER汽车公司利用搅拌摩擦焊接实现了汽车悬挂车架、轻合金车轮以及铝合金车身的焊接。美国月蚀航空公司于2002年利用搅拌摩擦焊接研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞机。

3 搅拌工具和工艺参数对焊接的影响

3.1 搅拌工具对焊接性能的影响

搅拌工具的设计从某种程度上主导着焊核区材料流动的模式,例如搅拌针带螺旋的搅拌工具可以使材料在横向流动的同时,产生剧烈的纵向流动,大大加剧焊核区材料流动与混合。搅拌工具的设计包括轴肩的直径、搅拌针的直径和长度,以及轴肩与搅拌针各自的形状。搅拌针直径过大,会引起热输入的过剩,使热影响区扩大,影响焊缝性能,同时搅拌针向前移动的阻力增大;搅拌针直径过小,不能对搅拌区内塑化的金属产生充分的作用引起足够的材料流动和混合,不利于形成致密的焊缝组织。搅拌针过短,则焊核区底部难以焊透;过长,则背面过热,成型较差。搅拌摩擦焊接过程中大部分的热输入和焊核区上部材料塑性变形来自于轴肩和工件的摩擦,因而轴肩的直径会直接影响焊接热输入量和热影响区的大小。研究表明,为获得成形性能最好的焊缝,搅拌头轴肩与搅拌针直径最佳比例为3∶1[10]。

3.2 工艺参数对焊接性能的影响

焊接热输入是评定工艺参数对焊缝性能影响的综合指标,而搅拌摩擦焊接过程中热输入量和材料塑性变形程度很大程度上决定于搅拌工具的转速(ω,r/min)以及走速(v,mm/min),ω/v或ω2/v越高,摩擦越剧烈,热输入量越大,材料能更充分的软化进而产生高效的流动和混合。然而如果ω/v或ω2/v过高,会导致搅拌区材料过热甚至熔化,难以形成致密的焊缝;过低则材料塑化不足,流动性变差,形成表面沟槽或内部隧道的缺陷。值得注意的是,搅拌工具和待焊工件形成的摩擦偶也会很大程度上影响热输入量,因而针对不同的焊接材料所选取的转速和走速大不相同。在转速和走速之外,搅拌工具的倾角(tool tilt)和搅拌工具插入工件的深度即下压量(insertion depth)也是重要的工艺参数。搅拌工具以一定的倾角向焊接的反方向倾斜,可以保证轴肩将塑化的材料很好地限制在焊核区内,又能保证前部材料向后方的回填。搅拌头的下压量对获得力学性能良好的焊缝也十分重要。下压量过小,轴肩与工件不能充分接触以产生足够的摩擦热引起材料塑化流动,从而导致焊缝内部产生隧道或表面产生沟槽等缺陷;下压量过大,则会引起焊缝材料被过度挤出,从而导致工件过度减薄,引起力学性能的下降。

通过试验研究了主轴转速、焊接速度以及轴肩下压量对焊接温度(亦即焊接热输入)的影响,试验所用的材料为6061-T6铝合金。搅拌摩擦焊在上海拓璞数控科技有限公司FSW-5M型搅拌摩擦焊接试验机床上进行,采用拓璞自主研发的搅拌针接触式测温装置测量焊接过程温度,装置如图4所示,热电偶通过打孔的方式嵌入搅拌头。MAX6675模块和STM32芯片采集到热电偶温度信号后传输到蓝牙模块。蓝牙模块将温度数据传送给电脑处的蓝牙适配器,完成温度实时测量。

3.2.1 主轴转速对焊接温度的影响

固定焊接速度250 mm/min,轴肩下压量0.2 mm,改变主轴转速研究其对焊接温度的影响。

从图5中可知,主轴的转速对焊接过程中的温度影响明显,且焊接温度随着主轴转速的提高而升高。产生该现象的原因是主轴转速越高,摩擦越剧烈,产生的热量越多。

3.2.2 焊接速度对焊接温度的影响

设定主轴转速600 r/min,轴肩下压量0.2 mm,研究焊接速度对焊接温度的影响,如图6所示。

从图6中可知,焊接速度从150 mm/min提高到200 mm/min时,焊接过程的温度升高比较明显;焊接速度在200 mm/min到300 mm/min区间(常用进给速度)时,焊接过程的温度变化不大;焊接速度超过300 mm/min后,焊接过程的温度下降。产生该现象的原因是在搅拌摩擦过程中,热输入分为2部分:轴肩和搅拌针的摩擦产热和金属塑性变形产热。焊接速度的增加,使得主轴转速和焊接速度比变小,使得摩擦产热降低Q1,但是金属塑性变形产生的热量增加了Q2,当Q1<Q2时,焊接温度就升高,当Q1≈Q2时,焊接温度变化不大,当Q1>Q2时,焊接温度就下降。

3.2.3 轴肩下压量对焊接温度的影响

固定主轴转速600 r/min,焊接速度250 mm/min,轴肩下压量在0.1~0.3 mm范围变动,研究下压量对焊接温度的影响,如图7所示。

图7表明,随着下压量的增大,焊接温度有所升高,但变化不明显。然而在实际焊接过程中,下压量过大意味着焊缝的减薄。在焊接过程中,应在保证焊透的情况下,采用较小的下压量。

4 结语

1)相比传统的熔焊,搅拌摩擦焊是一种塑性流动的固相连接技术,在铝合金焊接时能够取得良好的焊接性能。

2)搅拌工具对搅拌摩擦焊接过程材料流动有着决定性作用,为保证焊缝良好成形和获得良好的力学性能,必须选择合适的搅拌针。

3)焊接温度随着主轴转速的提高而升高;焊接速度较小时,焊接温度随其提高而升高,当焊接速度达到一定速度并在一定区间内,焊接温度变化不大,当焊接速度继续提高时,焊接温度有下降的趋势。焊接下压量对温度影响不明显,但为保证焊焊缝良好的成形性,应采用合适的下压量。

摘要：搅拌摩擦焊是一种新型的、绿色环保、高效的固相焊接技术,其过程涉及由轴肩和搅拌针构成的无损耗搅拌工具。焊接过程中,高速旋转的搅拌工具插入到工件表面直至轴肩与工件接触,并沿焊缝向前行进,利用搅拌工具与工件产生的摩擦热使待焊材料塑化,并在搅拌工具的带动下产生流动与混合从而实现焊接。详细分析了搅拌摩擦焊接的微观组织结构,搅拌工具以及主要工艺参数对焊接的影响并通过试验研究了主轴转速、焊接速度以及轴肩下压量对焊接温度的影响。试验研究表明,主轴转速和焊接速度对焊接温度的影响较大,下压量对焊接温度的影响不大。

关键词：搅拌摩擦焊,转速,焊接速度,下压量,焊接温度

参考文献

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