CC BY
27Шепломассообменные процессы в конструкциях ЯЛ, энергетических.установоки систем жизнеобеспечения
УДК 629.78
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ РАСЧЕТЕ РАДИАЦИОННОЙ ПАНЕЛИ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ
А. В. Делков, А. А. Ходенков, А. А. Кишкин, Ю. Н. Шевченко
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассматривается задача моделирования сопряженного теплообмена при расчете радиационной панели системы терморегулирования космического аппарата. Определяются необходимые для расчета граничные условия. Приводятся результаты расчета с оценкой распределения параметров.
Ключевые слова: моделирование, сопряженный теплообмен, радиационная панель.
MODELING CONJUGATE HEAT TRANSFER OF SPACE THERMAL SYSTEM RADIATION PANEL
A. V. Delkov, A. A. Hodenkov, A. A. Kishkin, Y. N. Shevchenko
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
This paper covers the problem of modeling a conjugate heat transfer of space thermal system radiation panel. Boundary conditions are determined. The results of the calculation are presented.
Keywords: modeling, conjugate heat transfer, radiation panel.
Для поддержания заданного температурного диапазона на борту космического аппарата (КА) в условии неравномерных внутренних и внешних теплопри-токов необходимо обеспечить сброс тепловой энергии в окружающее космическое пространство.
Данную задачу можно решить двумя способами: излучением с радиационных поверхностей (с использованием систем терморегулирования (СТР) радиационного типа) и уносом тепловой энергии с потоком вещества (СТР испарительного типа). Первый способ получил преимущественное распространение в конструкциях КА.
Для решения задачи сброса тепла с помощью механизма излучения в конструкции СТР используют радиационные панели [1]. Расчет параметров радиационной панели представляет собой задачу со сложным (сопряженным) теплообменом (conjugate heat transfer - CHT) [2].
Рассмотрим радиационную панель (рис. 1), которая конструктивно представляет собой трубу с теплоносителем, соединенную с излучающей поверхностью. С одной стороны панель контактирует с потоком теплоносителя,соответственно идет теплоотдача от теплоносителя в стенку; другая сторона панели является радиационной, с которой тепловой поток сбрасывается в открытый космос. Геометрия панели может быть разнообразной, в данной работе исследуется панель с параметрами, представленными на рис. 1.
Задача расчета сопряженного теплообмена в данном случае разбивается на две подзадачи: распределение температур в твердом теле (радиационная поверхность) и распределение температур в жидком теплоносителе [3]. Эти две подзадачи решаются совместно с общим граничным условием - конвективным теплообменом через стенку трубы.
Рис. 1. Исследуемый профиль панели радиатора-излучателя 229
<Тешетневс^ие чтения. 2016
TEMPERATURE
11.37015447 51
-50
"49
"48
|47
46.54816936
TEMPERATURE 51.37015447 -51
^49
148 47
46.54816936
Рис. 2. Характер распределения температуры по излучающей поверхности при скорости потока 0,05 м/с (сверху - распределение по поверхности излучения, снизу - по оборотной стороне)
В рамках данной работы в качестве тестовой задачи решалась задача со следующими граничными условиями:
- рабочее тело - изооктан;
- материал радиатора - алюминий;
- температура теплоносителя на входе в секцию +60 оС;
- 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.
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.
Задача решалась численно. Для решения расчетная область делилась на подобласти твердого тела и жидкости. Для расчета использовались совместно пакеты Syrthes (твердое тело) [4] и Code_Satume (жидкость) [5]. Подобласти разбивались на конечные элементы: для жидкости 7 000 элементов, для твердого тела 20 000 элементов. Результаты расчета представлены на рис. 2.
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, ID-теплообмен в области жидкости).
References
1. Massardo A. F. Solar Space Power System Optimization with Ultralight Radiator. Journal of Propulsion and Power, № 13(4), 1999, p. 560-564. Available at: http://dx.doi.org/10.2514/2.5203.
2. Modest M. Radiation Combined with Conduction and Convection. Radiative Heat Transfer, Elsevier Academic Press, 2013, p. 680-728. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/b978-012503163-9/50022-9.
3. Minkowycz W. J., Sparrow E. M. Murthy J. Y. Handbook of Numerical Heat Transfer. Wiley, 2000. Available at: http://dx.doi.org/10.1002/9780470172599.
4. Kamrava M.H., Bazdidi-Tehrani F.,Computational Calculation of Thermal Efficiency in a Space Radiating Fin for Tow Different Materials. Applied Mechanics and Materials, № 110-116, 2011, p. 23-28. Available at: http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.110-116.23.
5. Peniguel C. Conjugate heat transfer study of a wire spacer SFR fuel assembly thanks to the thermal code SYRTHES and the CFD code Code_Saturne. Joint International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications. Available at: http://dx.doi.org/ 10.1051/snamc/201402308.
© Делков А. В., Ходенков А. А., Кишкин A. A., Шевченко Ю. H., 2016
