Оптимизация теплообменного потока в условиях микрогравитации

31 июля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

НАСА

Самолеты, поезда, автомобили… и космические корабли. Хотя все четыре из этих транспортных инноваций основаны на топливе для получения энергии, еще одним ключевым компонентом является управление температурным режимом. Без контроля распределения и потока тепла внутри системы, такой как Международная космическая станция и другие коммерческие космические корабли, температура внутри кораблей была бы непригодна для жизни астронавтов, учитывая экстремально высокие и низкие температуры космического пространства.

Эта сложная проблема — лишь одна из многих проблем, которые исследуют исследователи физических наук НАСА в Исследовательском центре Гленна в рамках эксперимента по кипению и конденсации в потоке (FBCE).

Ожидается, что результаты работы конденсационного модуля для теплопередачи FBCE (CM-HT) сыграют жизненно важную роль в проектировании будущих космических и земных систем. Сюда входит выработка космической энергии, планетарная среда обитания, контроль температуры космических аппаратов, хранение криогенных жидкостей, утилизация отходов, зарядка электромобилей, охлаждение истребителей при различных перегрузках и регенеративные топливные элементы.

Научные цели CM-HT направлены на создание базы данных по конденсации потока, которая будет использоваться для оценки теплопередачи конденсации в условиях микрогравитации, а также для разработки критериев независимости потока от гравитации при конденсации. Такие критерии будут использоваться при разработке эффективных проточных конденсаторов для космического применения. Для проектных приложений будут разработаны математические прогнозирующие модели конденсации потока, модели вычислительной гидродинамики (CFD) и расчетные корреляции.

FBCE будет служить основной платформой для получения данных о кипении двухфазного потока и теплопередаче конденсации в условиях микрогравитации. Испытательный модуль CM-HT будет представлять собой тонкостенную трубку из нержавеющей стали, концентрически расположенную вдоль другого цилиндрического канала, выполненного из материала с высокой теплоизоляцией.

Пары испытательной жидкости будут течь через внутреннюю трубку и конденсироваться, отдавая тепло противотоку воды через кольцевое пространство. Низкая теплопроводность внешней стенки канала обеспечит передачу всего тепла между двумя жидкостями. Из-за своей низкой теплопроводности по сравнению с другими металлами нержавеющая сталь сводит к минимуму эффекты осевой проводимости, обеспечивая преимущественно радиальную передачу тепла между жидкостями.

Сравнивая данные о теплопередаче в условиях микрогравитации с данными, полученными в условиях гравитации Земли, можно будет установить влияние массовых сил на явления двухфазного переноса в поисках механистических моделей, а также корреляций, а также помочь определить критерии минимального потока для обеспечить гравитационно-независимый поток кипения и конденсации.

Двухфазный поток с низкой скоростью в условиях микрогравитации создает серьезные проблемы, которые обычно не встречаются в условиях земной гравитации. По мере снижения уровня гравитации вступает в игру новый баланс между инерцией, поверхностным натяжением и массовыми силами, так что базовая механика межфазной структуры потока радикально меняется. Для изучения этих эффектов установка FBCE была установлена ​​на орбитальной лаборатории МКС Fluid Integrated Rack (FIR), которая предлагает прекрасную среду микрогравитации для исследований двухфазных потоков.

Кипение потока и конденсация были определены как два ключевых механизма переноса тепла, которые жизненно важны для достижения уменьшения веса и объема, а также повышения производительности будущих космических систем. Результаты этого исследования в конечном итоге будут способствовать оптимизации конструкции проточных котлов и проточных конденсаторов для использования в длительных миссиях с высоким энергопотреблением в условиях микрогравитации. Эффективные котлы и конденсаторы позволяют эффективно использовать энергию в длительных миссиях. Поскольку космические системы работают с ограниченным энергетическим балансом, введение жестких ограничений на доступную мощность будет дополнительно способствовать энергосбережению миссий.