Численная оценка эффективности секции радиатора-излучателя системы терморегулирования Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов в машинах и аппаратах»

УДК 536.24

ЧИСЛЕННАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕКЦИИ РАДИАТОРА-ИЗЛУЧАТЕЛЯ

СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ

А. В. Делков, А. А. Ходенков, Д. А. Топоев, А. О. Булов Научный руководитель - А. А. Кишкин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected]

Рассматривается проблема оценки эффективности секции радиатора-излучателя системы терморегулирования. Ставится задача расчета сопряженного теплообмена. Приводятся результаты численного моделирования с использованием пакетов Syrthes и CodeSaturne.

Ключевые слова: сопряженный теплообмен, радиатор-излучатель.

NUMERICAL EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF THE RADIATOR SECTION IN SPACECRAFT THERMAL CONTROL SYSTEM

A. V. Delkov, A. A. Hodenkov, D. A. Topoev, A. O. Bulov Scientific supervisor - A. A. Kishkin

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

This paper covered problem of evaluating the effectiveness of the radiator section in spacecraft thermal control system. The task of calculating the conjugate heat transfer is reviewed. Numerical results using software Syrthes and Code Saturne are presented.

Keywords: conjugate heat transfer, radiator section.

Одним из значимых элементов систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов является радиатор-излучатель, предназначенный для отвода тепловой энергии в космическое пространство [1]. В данной работе рассматривается радиатор-излучатель активной СТР, в котором передача тепла к радиатору осуществляется с помощью теплоносителя, движение теплоносителя принудительно. Расчет параметров такого радиатора-излучателя представляет собой задачу со сложным (сопряженным) теплообменом (conjugate heat transfer - CHT). Рассмотрим секцию радиатора-излучателя (рис. 1), которая конструктивно представляет собой трубу с теплоносителем, соединенную с радиационной панелью. С одной стороны секция контактирует с потоком теплоносителя, - соответственно идет теплоотдача от теплоносителя в стенку; другая сторона панели является радиационной, с которой тепловой поток сбрасывается в открытый космос. Секции группируются в панели радиаторов-излучателей. Геометрия секции может быть разнообразной, в данной работе исследуется секция с параметрами, представленными на рис. 1.

Задача расчета сопряженного теплообмена в данном случае разбивается на две подзадачи: распределение температур в твердом теле (радиатор-излучатель) и распределение температур в жидком теплоносителе. Эти две подзадачи решаются совместно с общим граничным условием - конвективным теплообменом через стенку трубы.

Исходя из физической постановки задачи можно заключить, что на рабочий процесс секции радиатора наибольшее влияние оказывают следующие факторы:

- расход теплоносителя,

- коэффициент теплоотдачи от теплоносителя в стенку,

- размеры радиационной поверхности.

В рамках данной работы в качестве тестовой задачи решалась задача со следующими граничными условиями:

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1

рабочее тело - изооктан,

материал радиатора - алюминий,

температура теплоносителя на входе в секцию +60 °С,

труба с диаметрами 12 мм (внутренний) и 13 мм (наружный), длиной 0,5 м,

размер радиационной площадки 0,5 • 0,1 м, толщина площадки 2 мм,

толщина контактной пластины между трубой и поверхностной пластиной - 2 мм.

Рис. 1. Исследуемый профиль секции радиатора-излучателя

В качестве скоростей теплоносителя рассматривались 0,02; 0,05; 0,1 и 0,2 м/с, обеспечивающие ламинарный режим течения. Коэффициент теплоотдачи определялся по критериальным уравнениям с использованием теплофизических и транспортных свойств изооктана.

Рис. 2. Характер распределения температуры по излучающей поверхности при скорости потока 0,05 м/с (сверху - распределение по поверхности излучения,

снизу - по оборотной стороне)

Задача решалась численно. Для решения расчетная область делилась на подобласти твердого тела и жидкости. Для расчета использовались совместно пакеты 8уг1Ье8 (тв. тело) [2] и Code_Saturne (жидкость) [3]. Подобласти разбивались на конечные элементы: для жидкости 7000 элементов, для твердого тела 20000 элементов. Результаты расчета представлены на рис. 2 и в табл. 1. Температура теплоносителя на выходе приведена средняя по сечению.

Результаты численных исследований показали, что при увеличении расхода теплоносителя расчет и эффективность радиатора. Это связано с двумя факторами: рост коэффициента теплоотдачи при увеличении скорости потока и уменьшение перепада температур теплоносителя на входе и на

Секция «Моделирование физико-механических и тепловьх процессов в машинах и аппаратах»

выходе. Необходимо также отметить, что рост расхода теплоносителя в системе терморегулирования приводит к увеличению габаритов насосов и массы теплоносителя.

Результаты расчета

Теплоноситель Радиационная поверхность

№ Скорость, м/с Коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 • К Температура на выходе Минимальная температура, °С Максимальная температура, °С Эффективность (излучено тепла)

1 0,02 127 (51) +39,94 +47,15 28,26 Вт

2 0,05 201 (56) +46,55 +51,37 30,35 Вт

3 0,1 284 (58) +50,21 +53,92 32,01 Вт

4 0,2 402 (59) +53,45 +55,62 32,86 Вт

Средняя по сечению.

В целом результаты исследования показали возможность численного решения задачи сопряженного теплообмена для участка радиатора-излучателя. Однако стоит отметить, что даже для такого короткого участка время расчета одного случая составляет 15 минут. Для решения задачи оптимизации по нескольким параметрам (площадь панели, расход, геометрия) необходимо рассмотрение упрощенной задачи (например, 1-D теплообмен в области жидкости).

Библиографические ссылки

1. Делков А. В., Танасиенко Ф. В., Ходенков А. А. Расчет параметров жидкостного контура системы терморегулирования // Решетневские чтения. 2014. Т. 1. № 18. С. 132-134.

2. SYRTHES - Software - EDF R&D [Электронный ресурс]. URL: http://researchers.edf.com/ software/syrthes-44340.html (дата обращения: 12.04.2015).

3. WELCOME TO CODE_SATURNE [Электронный ресурс]. URL: http://code-saturne.org/cms/ (дата обращения: 12.04.2015).

© Делков А. В., Ходенков А. А., Топоев Д. А., Булов А. О., 2015