第 ３２卷 第 ５期 Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．５ ２０１１年 ５月 Ｍａｙ ２０１１ 载人航天器密封舱流动和传热数值模型 及 其地面验证 卢 威 ，黄 家 荣 ，范 宇峰 ，钟 奇 （中 国 空 间 技 术 研 究 院 总 体 部 ，北 京 １０ ００９４） 摘 要 ：为 求 解 载 人 航 天 器 密 封 舱 内 复 杂 的 空 气 对 流 、 导热 和辐射 三者耦合 的传热 问题 ， 本文建 立 了载人航 天 器 密 封 舱 的流 动 与 传 热 数值 模 型 ， 对 地 面试 验 状 态 下 密 封 舱 内 的 空 气 流 动 与 传 热 进 行 了 仿 真 分 析 ，并 利 用 试 验 宇果 对 数 值 模 型 进 行 了验 证 。 结果 表 明 ， 结 建 立 的数 值 模 型 可 靠 且 具 有 较 高 精 度 ， 仿真结 果与地 面试验 数据 吻合性 ． 疵 １ 几 较 好， 可 进 一 步用 于 热 控 系 统 性 能 评 估 、在 轨 支 持 和 故 障 处 理 。 Ａ 关 键 词 ：载 人 航 天 器 ；流 动 ；传 热 ；数 值 模 型 ；地 面 验 证 Ｓ 中 图 分 类 号 ：Ｖ２１１．３；Ｖ４２３．５； Ｖ５２４ ａ 学 ． 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００— １ ３２８（２０１１）０５— ０９５９￣７ ＤｏＩ ：１０．３８７３／ｊ ．ｉ ｓ ｓｎ．１ ０００—１ ３２８．２０１１．０５．００１ Ｋ 艮 Ｎｕｍ ｅｒｉ ｃａｌＭ ｏｄｅｌｏｆＦｌ ｏｗ ａｎｄ Ｈ ｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒ ｆ ｏｒ Ｍ ａｎｎｅｄ Ｓｐａｃｅｃｒａｆ ｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｉ ｚｅｄ Ｃａｂｉ ｎ ａｎｄ Ｉｔ ｓ Ｇｒｏｕｎｄ Ｖｅｒｉ ｉｃａｔ ｆ ｉ ｏｎ ＬＵ Ｗｅｉ ，ＨＵＡＮＧ Ｊ ｉ ａ— ｒ ｏ ｎｇ，ＦＡＮ Ｙｕ— ｆ ｅ ｎｇ，ＺＨＯＮＧ Ｑｉ （Ｃｈｉ ｎａＡｃａ ｄｅｍｙｏ ｆＳｐ ａｃ ｅＴｅ ｃｈｎ ｏｌ ｏ ｇｙ，Ｂｅｉ ｊ ｉ ｎｇ１ ０００９４，Ｃｈｉ ｎａ） Ａｂｓｔ ｒａｃｔ： Ｉ ｎ ｏｒ ｄｅｒｔ ｏｓ ｏｌ ｖ ｅｔ ｈｅ ｃｏｍｐｌ ｅｘ ｈｅａ ｔｔ ｒ ａｎｓ ｆ ｅ ｒ ｐｒ ｏｂｌ ｅｍ ｃｏｕｐｌ ｅｄ ｗｉ ｔ ｈ ａｉ ｒｆ ｌ ｏｗ ，ｓｏ ｌ ｉ ｄ ｃｏｎｄｕｃｔ ｉ ｏｎ ａｎｄ ｒ ａ ｄｉ ａｔ ｉ ｏｎ ｉ ｎ ａ ｍａｎｎｅｄ ｓｐａｃｅｃｒａｆ ｔｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｃａｂｉ ｎ，ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｆ ｌｏｗ ａｎｄ ｈｅａｔｔ ｒａｎｓｆ ｅｒｆｏｒｔｈｅ ｍａｎｎｅｄ ｓｐａｃｅｃｒ ａｆ ｔ ｐｒｅｓｓｕｒｉ ｚｅｄ ｃａｂｉ ｎｉ ｓ ｂｕｉ ｌｔ． Ｔｈｅ ｓｉ ｍｕｌ ａｔｉ ｏｎ ａｎｄ ａｎａｌ ｙｓｉ ｓｏｆａｉｒｆｌ ｏｗ ａｎｄ ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｕｎｄｅｒｇｒ ｏｕｎｄ ｔｅｓｔｃｏｎｄｉ ｔｉ ｏｎｓ．ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉ ｃａｌｍｏｄｅｌｉ ｓ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌ ｙ ｖａｌｉ ｄａｔｅｄ ｂｙ ｔ ｅｓｔｒｅｓｕｌ ｔｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌ ｔ ｓ ｉｎｄｉ ｃａｔ ｅｔ ｈａｔｔ ｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌｍ ｏｄｅｌｉ ｓ ｒｅｌｉ ａｂｌｅ ｗｉｔ ｈａ ｈｉ ｇｈ ｆ ｉ ｄｅ ｌ ｉ ｔ ｙ， ａ ｎｄ ｔ ｈｅｓｉ ｍ ｕｌ ａｔ ｉ ｏｎ ｒ ｅｓ ｕｈｓｕｓｉ ｎｇ ｔ ｈｉ ｓｍ ｏｄｅｌａｒ ｅｆ ｏｕｎｄ ｔ ｏ ｈｉ ｇ ｈｌ ｙ ａｇｒ ｅ ｅ ｗｉ ｔ ｈｔ ｈｅ ｇｒ ｏ ｕｎｄ ｔ ｅｓ ｔｄａ ｔ ａ，ｗｈｉ ｃｈ ｃｏｕｌ ｄ ｂｅ ｆ ｕｒ ｔ ｈｅｒｕｓ ｅｄｆ ｏｒｐｅ ｆｏｒ ｒ ｍａｎｃｅａｓｓ ｅｓ ｓｍｅｎｔｏｆｔ ｈｅｒ ｍａｌｃｏｎｔ ｒ ｏ ｌｓ ｙｓｔ ｅｍ（ＴＣＳ），ｏ ｒ ｂｉ ｔｓ ｕｐｐｏ ￣ ａｎｄ ｆ ａｉ ｌ ｕｒ ｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｍ ａｎｎｅｄ ｓｐａｃｅｃｒａｆ ｔ； Ｆｌ ｏｗ； Ｈｅａｔｔ ｒａｎｓｆｅｒ； Ｎｕｍｅｒｉ ｃａｌｍｏｄｅｌ； Ｇｒｏｕｎｄ ｖａｌ ｉ ｄａｔ ｉｏｎ 符 号 表 Ｐ一 密 度 ， ｋｇ ／ｍ 肛一 动力 粘度 ， ｋｇ／ｍ ·Ｓ ｃ一 比热 ， Ｊ ／ｋｇ·Ｋ Ｓ， ，一速 度 源项 ， Ｎ／ｍ 一 温度 ， Ｋ ｈ一静 焓 ， Ｊ ／ｋｇ ｔ一 时 间 ， Ｓ Ｐｒ 一 普 朗特数 Ａ一 固体 导热 系数 ， Ｗ／ｍ ·Ｋ Ｓ 一 能量 源项 ， Ｗ／ｍ ｑ 一 内热 源 ， Ｗ／ｍ 一 湍流粘 度 ， ｋｇ ／ｍ ·ｓ ｕ， Ｕ一 流 速 ， ｍ／ｓ ｋ一 湍动 能 ， ｉ ｎ／ｓ Ｐ一 压 力 ， Ｐａ Ｑ 一 电子 设备 发热 ， ｗ 收稿 １ ３期 ： ２０１ ０￣６· １ ８； 修回 日期 ： ２０１１ － ０１． １ ２ ９６０ 宇航学报 Ｑ 一 航 天员产 热 ， ｗ 第 ３２卷 一 地 球 红外辐 射角 系数 Ｑ 一冷 凝干燥 组 件吸热 ， ｗ 曰一 辐射 系数 Ｑ。一 冷 板吸热 ， ｗ ｓ一 太 阳常数 ， Ｗ／ｍ Ｑ。 Ｅ 一 地球 对太 阳光 的平 均反射 密度 ， Ｗ／ｍ 一 舱 体漏热 ， ｗ Ｑ 。 一 舱 体 向空 间辐 射热 量 ， ｗ Ｅ 一地 球平 均红外 辐射 密度 ， Ｗ／ｍ Ｑ ． ，一有 效辐射 ， Ｗ／ｍ 一 舱 体吸 收 的外 热 流 ， ｗ 太 阳光谱 吸 收率 一 ０ 引 ， 一 气体 导 热系数 ， Ｗ／ｍ ·Ｋ 红外 发射率 ｕ 一 流速无 量纲 数 。一 太 阳直 接投射 角 系数 Ｙ 一 壁 面距离无 量 纲数 ： 一 地 球反 照角 系数 “ 一 粘性 速度 ， ｍ／ｓ 一 言 １ 物 理模 型描 述 载 人航 天器 密封 舱 利 用 风机 、 风 扇 等通 风 设 备 所研 究 的载 人 航 天器 密 封舱 如 图 １所 示 ， 密封 使 空气 强迫 对流 ， 一方 面促进 空气 的循 环流 动 ， 使舱 舱 由轨道 舱和 返 回舱 组 成 ， 两 舱 处 于 连通 状 态 。舱 内气体 成份 分布 均匀 ，拉平 舱 段 间 空 气 的温 湿 度 以 体 为铝壳 结构 ， 轨 道舱 铝 壳 外 壁 全部 包 覆 多层 隔热 满 足航 天员 舒适性 要 求 ；另一 方 面 通 过 强迫 对 流 实 材料 ， 返 回舱外 壁 喷涂 中等 吸辐 比的热控 涂层 ， 密封 现 对舱 内 电 子 设 备 的散 热 。 由于 体 积 和 重 量 的 限 舱铝 壳 内壁全部 粘贴 软质 泡沫 塑料 。轨道 舱 内有六 制， 载人 航天 器 内部 布 局高度 紧凑 ， 导致 密封 舱 内的 块 月牙形 仪器 安装板 ， 返 回舱 大底上 有工 字梁结 构 ， 空 气流 动十 分复 杂 ，复 杂结 构 上 的 导 热路 径 和 辐 射 舱 内大部 分 电子设 备 安装 在 月 牙 板 和 工字 梁 上 ， 其 换 热 问题 更 显 突 出。而 对 流 、 传 导 和 辐射 三 者 的交 余 均安装 在舱 内铝 壳侧壁 上 。所有 设备 表面 均进行 织 耦合 作用 ， 使密 封 舱 内的传 热 问 题 比一 般 航 天 器 黑 色 阳极 化处 理或 喷涂 高 红外 发 射 率 热控 涂 层 ， 增 更 为复 杂 ，热分析 难度 更高 ， 需利 用集 成方 法综合 考 强 舱 内辐 射换 热 。 虑 。文 献 ［１—４］对 这 种 复 杂 系 统 的 流 动 与 传 热 问 题 进行 了分 析研 究 ，但 是对 数 值 模 型 的 准确 性 检 验 和评价 方面 研究 较少 。准确 的数 值模 型对 于工 程实 践 具有 重要 意 义 。虽 然 和非 密 封 航 天器 一 样 ， 地面 热 试验 仍然 是验 证 载 人航 天 器 热 设 计 的重 要 手 段 ， 但 地 面热试 验 的花费 巨大 ， 周期 长 ， 因此有 必要 对航 天器进 行准 确 的热分 析 。成 熟 可靠 的热分 析模 型是 验 证 热设计 、 评估 热 控 系 统性 能 以及 进 行 航 天 器在 轨 温度 预示 、 在 轨支 持和故 障处 理 的可靠 手段 ， 特别 对 长 寿命 的航天 器而 言尤 为重要 。 本 文使 用大 型 商 业 计 算 软 件 Ｉ—ＤＥＡＳ建 立 了 图 １ 密 封 舱模 型 图 Ｆｉ ｇ．１ Ｍ ｏｄｅｌｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｄ ｃａｂｉ ｎ 载 人航 天 器 密 封 舱 空 气 流 动 与 传 热 的集 成 数 值 模 型， 对 地面 试验状 态 下 密 封舱 内 的空 气 流 动 与 传热 密封 舱 内有 若 干 台 风机 和 风 扇 ， 两 台 冷凝 干燥 进 行仿 真分 析 ， 得 到舱 内空 气流 动 的速度 场分 布 、空 组件 。通 过一 台热控 风机将 返 回舱空 气抽 吸到 轨道 气 温度 分布 以及 舱 内结构 和设 备 的温度数 据 。通 过 舱， 促 进舱 段 间空 气 流 动循 环 。座 舱 风 扇促 使 空气 统 计方 法将 试验 数 据 与仿 真 结 果 进 行 对 比分 析 ， 对 模 型 的准确 性进 行验 证 。 强迫 流动 ， 形成 舱 内的 通 风 回路 。 电子 设 备 和航 天 员 的产热 通过 强迫 对 流 传递 给空 气 ， 一 部 分 热 量经 冷凝 干燥 组件 和冷 板 由流体 回路带 走排 散到宇 宙 空 第 ５期 卢 威等： 载 人 航 天器 密 封 舱 流 动 传 热 数 值 模 型 及 其 地 面验 证 问， 另 一部 分 为舱 体 漏 热 。地 面试 验 时密 封 舱 内还 （ 一 需 考虑 自然对 流 影 响 。外 部 传 热 方 面 ， 密封舱舱体 外 表 面吸 收太 阳辐 射 、 地 球 反 照 和地 球 红 外 三 种 轨 — 一 ＋ 卜２蛾 （ ５ ） ｕ ｊ ｈ＝ 警 （ ６） ｐ 道 外热 流并 向空 间排散 热量 。 湍流 模拟 采用 Ｌａ ｕｎｄｅ ｒ和 Ｓｐａｌ ｄｉ ｎｇ 的标 准 密 封 舱 的 空气 流 动 与 传 热关 系如 图 ２所 示 ，整 个 系统 的热 量传 递 、 运输 和 排散 相 当复杂 ， 受轨 道 外 ９６ｌ 一 ８模 型 ，此 模 型在工 程上 已得 到广 泛应 用 。 湍 流粘 度 ： 热流 、 热传导 、 对 流 通 风 和 舱 内辐 射 换 热共 同 影 响 。 本 文讨 论 密封 舱 内部 空 气 处 于 三 维 定 常 流 动 状 态 、 一 Ｃ 密 封舱 外部 为周 期 平均 轨道 外热 流 的流 动与传 热耦 ｋ方 程 ： 合 问题 。 ＝ 毒 Ｏ ＇ ｋ ｌ 一 （７） ８方 程 ： Ｏ ｘ 毒 Ｏ ｘ ， （ ＼ （ ＼＋ 。 ０ ＂ １ Ｊ 豢／ ） ＋ ＝ ｝ 。 —ｃ： ｐ） （ ８） 湍 动 能产生 项 ： Ｐｋ ＝ 一 Ｐ －ｕ ｕ ＯＵ￣ 图 ２ 密 封 舱 空 气 流 动 与传 热 示 意 图 Ｆｉｇ．２ （９） Ｓｃｈｅｍ ａｔｉ ｃｉ ｌ ｌｕｓｔ ｒａｔｉ ｏｎ ｏｆａｉ ｒｆ ｌｏｗ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒｉ ｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ ｃａｂｉ ｎ 依 据 经 验 ， 一ｓ模 型 中采 用 如 下参 数 ：ｃ ＝ ０．１ ２， Ｃ ｌ ＝ １．４４，Ｃ ２ ＝ Ｉ．９２， ｏｒ ＝ ｉ．０， ｒ ｏ ２ 数值 模 型 ＝ １．３。 整 体 能量平 衡方 程 ： ＱＥ＋Ｑ＾ ＝ Ｑｃ ｄ＋Ｑｐ＋Ｑｌｋｇ 。 ２．１ 数 学 方程 Ｑ 固体热 传导 方 程 ： ｐｃ 署＝Ｖ． Ａ Ｖ （ １ ） 其中，Ｑ 三 维 定 常 流 动 雷 诺 平 均 Ｎａ ｉ ｖｅ ｒ — Ｓｔ ｏｋｅｓ方 程 ＋ ＝Ｑ 一Ｑ （１ ０） ＝∑ Ｓ ｈ ｉ ｒ ｏ Ａ ， Ｑ ＝∑Ａｉ （ Ｏ ｅ ， ｉ ￣ ＯＳ ２ ｆ Ｅ，＋ ３Ｅ ）。 ２． ２ 离 散方 法 （ＲＡＮＳ）： 对计 算 区域 采用 基于 有 限元 网格 的控 制体积 法 流 体连 续性 方程 ： 进 行离 散 ： ０ （２） ） Ｏｘｊ ＯＰ 义 在单元 节 点上 ， 与 压 力 一速 度 耦 合 相关 的 问题 通 Ｏｘ 过在 离 散方 程 中利用 压力 再 分布项 加 以解决 。采 用 （ 券＋ 尝卜 ＝ 离 散逼 近法 对单元 分 区进 行体 积积 分 和对积 分点 表 ㈩ 面 进行 面积 分 ，通 过 一 次 访 问 每 个 单元 并 对 积 分 项 流 体能 量方 程 ： Ｏｘ 制 体积 的每 个子 表 面 都 是 一个 单 元 的二 等 分 面 ， 如 图 ３所示 。所 有 变 量 （包 括 压力 和 速 度 分 量 ）均 定 流 体动 量方 程 ： ａ（ｐＵ 。控 制 体 积 以 有 限 元 单元 来 定 义 ，控 毒 Ｏ ｘ （ Ｐ ｒ 警 Ｏ ｘ一。 。 ／“ ㈩ 雷诺 应 力 和热 流采用 Ｂｏ ｕｓ ｓ ｉ ｎｅ ｓ ｑ涡粘 假 定 ： 作离 散逼 近得 到全 部 方程 组 ， 当访 问过所 有单 元后 ， 所有 节 点都 有一个 完 整 的控 制体积 方程 。 对 于扩 散项 ， 采 用 中心 差 分 格 式 （ＣＤＳ）进 行 离 散， 对于 对流 项 ， 采 用 精度较 高 的 ＱＵＩ ＣＫ离散 格式 。 ９６２ 宇航学报 第 ３２卷 网格规模 ， 一 般配 置到 湍流充 分发展 区域 ， 如 图 ４所 示 。因此 ， 近壁 面区 的边界 层 内无 需加 密 网格 ， 第一 单元 个 内节 点在 模型 中 自动计算 以判 断其所 在 区域 。 单元分区 图 ３ 基 于有限元的控制体积法 Ｆｉｇ．３ 粘性底层 Ｃｏｎｔｒｏｌ —ｖｏｌ ｕｍｅ ｍ ｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ａｆｉ ｎｉ ｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔ ３ 边界 条件 图 ４ 壁 面 函数 法 边 界 层 网 格 Ｆｉ ｇ．４ Ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ｍｅｓｈｅｓ ｕｓｉ ｎｇ ｗａｌ ｌｆｕｎｃｔｉ ｏｎ ｍｅｔ ｈｏｄ ３．１ 导热 ／辐 射边界 ３． ４ 风 机 ／风 扇 边 界 舱 体外 壁 ： 一 Ａ （ ＝ 日（ 一 ） Ｏ Ｌ ＪＳ 一 ２Ｅ 一 ＾ ， ３ — Ｅ （１１） 风机／风扇 平 面 简 化 为 零 厚 度 的 压 力 跳 变 面 。 设定 质量 流量 后计 算 出 口流速 ，进 出 口满 足 流体 质 量 守恒定 律 ： 舱 内空 气接触 表 面 ： ∑ Ｕｉ ， ｌ ｎ Ａ ＝∑ Ｕ ｊ ，Ａ （ １ ７） Ｊ 一 Ａ （）＝ 一＼ Ｏ ｎ ／ ， ３．５ 冷凝 干燥 组件 冷凝 干 燥 组 件是 一 种气 一液 换 热器 ， 用 来 控制 舱 内辐 射表 面 ： 一 密 封舱 内空气 湿度 和带走 湿 空气 的热量 。模 型 中冷 Ａ （ ＝ 凝 干燥 组件带 走 的热量 根据 地面试 验 和飞行 实测数 据 进行设 置 ， 风 门开 度 １ ０％ 时 ，冷凝 干燥 组 件 带 走 ３． ２ 壁 面边 界 的热量 约 １ ５０Ｗ。 速 度边 界 为无滑 移条件 ：Ｕ… ＝０。 壁 面温 度为 连续 性条件 ： ＝ ３． ６ 冷板 Ｔ ． ． 。 单 相流体 回路 冷板 用于 载人航 天 器 内高 热 流密 ３． ３ 边 界层 近壁 面计算 区域 内采用 壁 面 函数 法进 行离散 方 程 源项 的构 造 。湍流 流动 的近壁 面 区域 分 为粘性 底 层、 过 渡层 和湍 流充分 发展 层 。粘性底 层 厚度极 小 ， 速 度线 性分 布 。过渡 层和湍 流充 分发 展层 在工程 中 通 常 归入对 数律 层 。 度 设备 的散 热 ，其 传 热 系 数 大 ， 可 达 ３０００Ｗ／（Ｉ ｌ ｌ· Ｋ）， 冷板 表 面温 度 均 匀 性 较 小 ，因此 在 数 值 模 型 中 对 冷板 采用 第一 类边 界条 件 模 拟 ，即假 定 冷板 为定 温边界 ， 温 度取冷 板进 出 口液体 温度 的平均 值 。 ４ 模 型应 用与 验证 粘 性底 层 （ Ｙ ≤ ５）： 将模 型应用 于空 气流 动速 度场分 析 和地面 降压 Ｈ ＝ ＝ｙ （１ ４） 和热试 验数 据 验证模 型 的准确 性 。本 文选 择某 载人 其中，Ｍ ＝￣ ／ 『／ Ｊ ｐ， Ｙ ＝ｕｙ ｐ ／。 飞船 作为验 证算 例 。 过渡层 （５≤ Ｙ ≤ ３０）： ／ ｔ ＝一３．０５＋５．００１ ｎ（Ｙ ） （１ ５） ４．１ 空气 流动 速度 场求解 与验 证 某 载 人 飞 船 的流 场 试 验 在 地 面 常温 常压 下进 湍流 充分 发展层 （Ｙ ≥ ３０）： Ｈ ＝ ５．５ ＋２．５１ ｎ（Ｙ ） 环境 下 的传 热分 析 ， 利 用 载人 航 天 器 地 面 流场 试 验 （１ ６） 划分 网格 时 ，由于粘 性边界 层厚 度很 薄 ， 为减 小 行， 试 验 时除 风机外 ， 其余 设备 均不 工作 。试验 过程 中， 时刻监 视舱 壁 面和空 气温 度变化 ， 保 证试 验环 境 第 ５期 卢 威 等 ：载 人 航 天 器 密 封 舱 流 动 传 热 数 值 模 型及 其 地 面 验 证 ９６３ ⅢⅢ㈨㈨Ⅲ ∞如蚰如加ｍ∞如 Ⅲ ㈣㈣㈣㈣㈣ 鲫 鲫蛐帅㈣㈣㈨㈣ 蛐加ｍ∞ 的温度 稳定 性 ，确 保 流 场试 验 在 “冷 态 ”下 进 行 ， 减 少 甚至 消除 重力 引起 的 自然对 流 影 响。 数值 模 型 中设 置 风 机／风 扇边 界 与试 验 状 态 相 同， 对载 人 密 封 舱 内的 空 气 流 动 进 行 了仿 真 。图 ５ ～ 图 ８为舱 内整体 和 局部 区域 空气 速度 场分 布 的仿 真结 果 。从 图 中看 出 ， 两 舱 的气 流 速 度分 布较 为 均 匀， 轨道 舱约 ７６％ 区域 空 气流 速为 ０．１～０． ５ｍ／ｓ， 返 回舱 约 ８９％ 区域 空 气流 速 为 ０．１～０． ５ｍ／ｓ。 图 ７ 返 回舱 中部 截 面速 度 场 分 布 Ｆｉｇ．７ Ｖｅｌｏｃｉｔ ｙ ｄｉ ｓｔ ｒｉ ｂｕｔｉ ｏｎ ｉ ｎ ｍｉ ｄｄｌ ｅ ｓｅｃｔ ｉ ｏｎ ｏｆ ｒｅ—ｅｎｔ ｒｙ ｍｏｄｕｌｅ ｎｌ 图 ５ 密 封 舱 内速 度 场 分 布 （另 一 截 面 ） Ｆｉ ｇ．５ ㈣ ㈣ ㈣ ㈣ ㈣ ㈣ ㈨ ㈣ Ｖｅｌｏｃｉ ｔ ｙ ｄｉ ｓｔ ｒｉｂｕｔｉ ｏｎ ｉ ｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ ｃａｂｉ ｎ （ａｎｏｔ ｈｅｒｓ ｅｃｔ ｉ ｏｎ） ＩＩ ｌ 图 ８ 返 回舱 航 天 员 座 椅 截 面 速 度 场 分 布 Ｆｉ ｇ．８ Ｖｅｌ ｏｃｉ ｔｙ ｄｉｓｔ ｒｉｂｕｔ ｉｏｎ ｉ ｎ ａｓｔｒｏｎａｕｔｃｈａｉ ｒｓｅｃｔｉ ｏｎ ｏｆｒｅ—ｅｎｔ ｒｙ ｍ ｏｄｕｌｅ 测 点处 的相 对误 差较 小 ， 低 于 ２５％ 。有 少 数测 点 相 图 ６ 轨道舱截 面内速度场分布 Ｆｉ ｇ．６ Ｖｅｌｏｃｉ ｔ ｙ ｄｉ ｓｔ ｒｉｂｕｔｉ ｏｎ ｉ ｎ ｓｅｃｔ ｉｏｎ ｏｆｏｒｂｉ ｔａｌｍ ｏｄｕｌｅ 对 误 差较 大 ， 如 轨道 舱 中层 月牙 板 的设 备 Ｃ１３５ａ， 但 是 其 绝 对误 差 很 小 ，为 ０．Ｏ１ｍ／ｓ。由 于低 速 点 处 的 流速测 量本 身 误差 较 大 ， 其 可 能 导 致 相对 误 差 大 而 返 回舱是航 天员从发 射 、 入轨、 在 轨运 行及 返 回 时 的生 活舱 ， 舱 内空 气流速将 直接影 响航 天员 的舒适 性 。从 图 ７和 图 ８看 出 ， 返 回舱 内形 成 以轴 向流 动为 主 的 旋 涡 ，航 天 员 活 动 区 的 气 体 流 速 为 ０．０８～ ０． ５４ｍ／ｓ， 航 天员身体 两侧 风速 ０．１～０．２ｍ／ｓ， 航 天员 头部 附近风 速 ０．１～０．２ｍ／ｓ， 腹 部 附 近０． １ｍ／ｓ， 脚部 附近 ０． ３～０． ４ｍ／ｓ 。总体 而 言 ， 三 名航 天员 身体周 围 气 体分布 均匀 ， 气 流 速度 舒缓 ， 可 保 证航 天 员 的舒 适 性 要求 。 将 计 算 值 与 流 场 试 验 结 果 相 对 比 ，见 表 １所 示 。从 表 中结 果可 以看 出 ， 除个 别测 点外 ， 绝 大部 分 绝 对误 差小 的情况 。 从 对 比中可 以看 出 ， 计算 值 和试验 值 吻合 良好 ， 验 证 了模 型 的正确性 和 准确性 。 ４． ２ 地面 降压 环境 的温 度场求 解 与验证 载人 航 天 器进 行 地 面 热试 验 时 ， 为 抑 制地 面 重 力 环境 引起 的 自然对 流 影响 ， 常采 用 降压法 ，即在 保 持 雷 诺 数 Ｒｅ不 变 的 情 况 下 ，通 过 降 低 舱 内压 力 减 小 空气 密 度从 而获 得 较小 的 Ｇｒ数 ，使 得 Ｇｒ ／Ｒｅ ≤ ０．１， 抑 制 自然对 流 。某 载人 飞船地 面 热试 验 在 ＫＭ６ 环 境模 拟器 中进 行 ，用 热 沉 模 拟 宇 宙 “冷 黑 ”环 境 ， ９６４ 宇航学报 第 ３２卷 外部 热环 境 用 红外 笼模 拟 ，舱 内气 体 压 力 保 持 ２７． 相 流体 回路参 数均 与试验 状 态一致 。热试 验 包括低 ５ｋＰａ。设 置数值 模 型 的边 界条 件 与热试 验状 态保 持 温工 况 和高温 工况 ， 其 中低温 工况 用工况 １表示 ， 模 致， 风 机质量 流 量按 照试验 状态设 定 ， 轨道 外热 流 拟无 人 飞行状 态 ；高温工 况用 工况 ２表示 ， 模拟 三名 一 按 照热试 验 时等 额 施 加 。 电子设 备 的热 耗 大 小 、单 航 天员 满负荷 飞行 状态 。 表 １ 流 动分 析 结果 与流 场 试 验 结 果 对 比 Ｔａｂｌ ｅ１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔ ｗｅｅｎ ＣＦＤ ｒｅｓｕｌｔ ｓ ａｎｄ ｆ ｌｏｗ ｅｘｐｅｒｉ ｍｅｎｔ ａｌｒ ｅｓｕｌ ｔｓ 序号 测点位置 １ 返 回舱 Ｉ Ｉ象 限 座 椅 头 部 试 验 值／（ｍ／ｓ） 计算 值 ／（ｍ／ｓ ） ０．１ ７ ０．１ ９ 误 差 ／％ ２ 返 回舱 Ｉ Ｉ象 限 座 椅 腹 部 ０．１ ０ ０．１ ０ ０ ３ 返 回舱 中 间座 椅 头 部 ０．１ ７ ０．１ ９ １１．８ ４ 返 回舱 中 间座 椅 腹 部 ０． ０８ ０．１ ０ ２ ５ ５ 返 回舱 Ｉ Ｖ象 限座 椅 头 部 ０．１ ０ ０．１ ２ ２ ０ ６ 返 回舱 Ｉ Ｖ象 限座 椅 腹 部 ０．１ ３ ０．１１ １５． ４ ７ 返 回舱 大 底 设 备 ＣＩ Ｏ１ ａ上 方 １ ５ｍｍ ０１ ７ ０．１ ８ ５． ９ ８ 返 回 舱 大 底设 备 Ｃ１０１ｂ上 方 １ ５ｍｍ ０．１１ ０．１ ２ ９．１ ９ 返 回舱 大 底 设 备 Ｓ ０１侧 面 １５ｍｉ ｌ ｌ ０．０ ９ ０．１ １１．１ １ Ｏ 轨道舱轴线前端 ， 距 前 舱 门 ８６２ｍｍ ０．１８ ０．１ ９ ５．５ １ １ 轨 道 舱 轴 线 中部 ， 距前舱门 １ ３７４ｍｍ ０．１ ４ ０．１ ６ １４．３ １ ２ 轨道舱轴线后端 ， 距前舱门 １ ８８６ｍｍ ０．０８ ０． ０８ ０ １ ３ 轨道舱 Ｉ Ｉ象 限 中层 月 牙 板 中 部 ０．２２ ０ ２２ ０ １ ４ 轨道 舱 Ｉ Ｖ象 限 中层 月 牙 板 下 部 ３０ｍｍ ０．２ ４ ０． ２３ ４．２ ｌ ５ 轨 道 舱 Ｉ象 限脚 踏板 下 １５ ０ｒ ａｍ ０． ０６ ０． ０５ １ ６．７ ｌ ６ 轨道舱 Ｉ Ｖ象 限 中层 月 牙 板 设 备 Ｃ１３５ａ上 １ ５ｍｍ ０． ０２ ０． ０３ ５０ ｌ ７ 轨道舱 Ｉ Ｖ象 限下 层 月 牙 板 Ｍ４６０上 １５Ｆ ｉ ｌ ｍ ０．０３ ０． ０３ ０ １１．８ 图 ９为工况 １时舱 内空气 温度 的仿真 结果 。从 图 中看 出 ， 轨道舱 和 返 回舱 的空 气 温度 处 于 １７℃ ～ １ ９ 之间 ， 温度 分 布 较 为均 匀 。舱 内 电子设 备 和结 构的温 度 如 图 １ ０ 所 示 ，设 备 温 度 在 １１．７℃ ～ ３１．８ｑ Ｃ之 间 ， 均 处 于 正 常 温 度 范 围 内 。模 型 中 近壁 面节 点 ； （８，４０），计算 得 到 的对 流换 热 系数 在 １． ２２～１ ４．１ ５Ｗ／（ｍ ·Ｋ）之 问 。 图１ ０ 密 封 舱 内 电子 设 备 温 度 分 布 Ｆｉ ｇ．１０ Ａｖｉｏｎｉ ｃｓ ｔ ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔ ｒｉ ｂｕｔｉ ｏｎ ｉ ｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ ｃａｂｉｎ Ｎ ＝ （ ） （１ ８） 标准 偏差 ： 图 ９ 密封舱空气温度分布 Ｆｉ ｇ．９ （１ ９） 、 Ａｉ ｒｔｅｍｐｅｒａｔ ｕｒｅ ｄｉｓｔ ｒｉｂｕｔｉ ｏｎ ｉ ｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ ｃａｂｉｎ 将分 析结 果 与热 试 验 结 果 相对 比 ， 并运用统计 方法 计算 误差 ， 计 算 值 与试 验 值 的 算 术平 均 偏 差 和 标 准偏差 表示 为 ： 算术 平 均偏差 ： 式 中， 为 计算值 ， 为 试验 值 。 对 比两种 工况 下密 封舱 内 １ ５９个特征 点 的温 度 数 据 （限于篇 幅 ， 仅 列 部 分 数据 于 表 ２中）。工 况 １ 计 算值 与试 验 值 的 算 术 平 均 偏 差 △ ＝１．８７℃ ，标 第 ５期 卢 准偏 差 ＝１． ６６℃ 。工 况 ２计 算值 与试 验值 的算 术 平 均偏 差 ＡＴ ＝０．８０℃ ， 标准偏差 威等 ： 载 人 航 天 器 密 封 舱 流 动 传 热 数 值 模 型 及其 地 面 验 证 ９６５ 果表明 ， 无 论进 行 空气 流 动 的速 度 场 分 析 还是 温度 场分 析 ， 由模 型求解 得 到 的数 值 解 与 试 验值 均 吻合 ＝２．３６℃ 。计 算 值与 试验 值误 差很 小 ， 再 次 说 明 数 值模 拟结 果 与 良好 ， 证 明数 值模 型可靠 ， 仿 真 结果 准确 。 试验 结果 吻 合较 好 ， 验 证 了数 值模 型 的 可靠 性 和 准 这一模 型已在载人航 天工程 中得 到初 步应用 ， 为 载人航天器 的热控设计 提供 了有 力支 持 ， 后期 可进 一 确性 。 表 ２ 部 分 设 备 温 度 计 算 值 与 试 验 值 对 比（单 位 ：℃ ） 步 用于载人航 天 器热 控分 系 统 的性 能评估 以及 载人 Ｔａｂｌｅ２ 航 天飞行 的在轨温度预示 、 在轨支持 和故 障处理 。 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔ ｗｅｅｎ ａｎａｌｙｓｉｓｔｅｍ ｐｅｒａｔ ｕｒｅ ａｎｄ ｅ ｘｐｅｒ ｉ ｍｅｎｔ ａ ｌｔ ｅ ｍｐｅｒ ａｔ ｕｒｅｏ ｆｓｅｖｅ ｒ ａｌｅｑｕｉ ｐｍｅ ｎｔ ｓ（Ｕｎｉ ｔ：℃ ） 参 ｌ ５ 结 ２ 考 文 ３ 献 ４ ５ 论 地 面试 验 中 由于 重力 的客 观存 在 ，单方 面 对 比 速度 场试 验 与分析 的结 果 或者 温度 场试 验 与分析 的 结 果存 在 局 限性 。 首先 因为 混 合 流 动 时 ， 速度场与 温度场 进 行强 烈 耦 合 ， 相 互 作 用 。空 气 流 动 影 响 温 度 分布 ；与此 同时 ， 空气 在重 力 方 向上 的温度梯 度 将 形 成 自然 对流 ， 影 响速 度场 分布 。其 次 ， 密封舱 内部 空 间 的辐 射换 热增 加 了速度 和 温度关 联 的非 线性 因 素 。 因此 ， 需要 从 速度 场 和温 度 场 两 方 面 对 数 值模 型 的准确 性进 行综 合评 估 ， 以 获取成 熟 、 可靠 的数 值 模型。 本 文 对载 人航 天器 密封 舱 的复 杂流 动与传 热 问 题 给 出 了完 整 的数 学 描 述 ， 建 立 了密 封 舱 空 气 流 动 与 传热 的集 成数 值模 型 。所 建模 型应 用 于某载 人 飞 作者简介 ： 卢 威 （１ ９８１一），男 ， 硕士 ， 工 程 师 ，主要 从 事 载 人 航 天 器 热 控 制 和 热 分析 等 方 面研 究 。 通 信地 址 ： 北 京 ５１４２信 箱 ８６分箱 （１０ ００９４） 船 空气 流 动速度 场 求解 和地 面 降压环 境下 的温度 场 电 话 ：（Ｏｌ０） ６８７４４７ ５８ 求解 ， 并 将计 算 值 和 试 验 结果 进 行 了对 比分 析 。结 Ｅ－ｍａｉ ｌ： ｂｕａａｓｋｙｒｅｎ＠ ｇｍａｉ ｌ ．ｅｏｍ （编辑 ： 沃 云峰 ） ６