液氮冷氦气双冷源高低温箱试验和模拟研究

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1、上海交通大学硕士学位论文液氮/冷氦气双冷源高低温箱试验和模拟研究硕士研究生：承磊学号：1120209245导师：黄永华副教授申请学位：工学硕士学科：制冷与低温工程所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterEXPERIMENTALANDMODELINGSTUDYONAHIGH-LOWTEMPERATUREENVIRONMENTCHAMBERWITHLN2ANDHELIUMASCOOLANT

2、SCandidate：LeiChengStudentID:1120209245Supervisor：AssociateProf.YonghuaHuangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringPowerEngineeringandEngineeringSpeciality：ThermophysicsAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：January,2015Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJia

3、oTongUniversity摘要液氮/冷氦气双冷源高低温箱试验和模拟研究摘要航天设备及其部件在太空的高真空、冷黑环境中需经受极其恶劣的考验，为保证其工作的可靠性和稳定性，通常需要在地面进行空间环境模拟试验。在某些特殊场合甚至需要极限低温、大降温速率等更加苛刻的试验要求。此时充注介质增强换热效率的高低温箱设备成为主要解决方案。本文对液氮/冷氦气双冷源氦气氛高低温箱的试验和模拟特性进行了研究，主要完成了以下工作并得出相应结果：（1）试验考察了舱体内充有绝压90kPa氦气条件下液氮单独作为冷源以及液氮/冷氦气双冷源共同作用低温降温性能。液氮温区低温工况以液氮为单

4、独冷源，热沉可在常温~-170℃内满足平均降温速率大于-3℃/min的设计指标，空间可在常温~-120℃满足平均降温速率大于-3℃/min的设计指标。平衡后，热沉温度稳定在-185±4℃，空间温度稳定在-171±3℃。（2）低于液氮温区的降温采用液氮+斯特林制冷机同步双作用降温模式，相较于只采用液氮为单一冷源的降温模式实现了更大的降温速率。热沉可在常温~-180℃内满足平均降温速率大于-3℃/min的设计指标，空间可在常温~-130℃满足平均降温速率大于-3℃/min的设计指标。最终达到平衡状态时，热沉温度稳定于-191±5℃，空间温度稳定于-182±5℃。

5、为进一步降温，通过抽除氦气获得了由斯特林制冷机冷却的热沉温度可稳定于-215±5℃，空间温度稳定于-208±8℃，突破了液氮正常沸点的降温极限。（3）针对试验工况，对空间、试件降温规律建立了数值模拟。空间降温速率和试件降温曲线与试验结果的良好吻合验证了模拟模型的准确性。并通过热沉周围的温度分布和换热系数计算认为在接近目I摘要标温度的降温后期对流换热相对于辐射换热占据更大比例，因此高低温箱相对于热真空罐在降温后期具有更大优势。（4）对比了90kPa/40kPa/10kPa/100Pa四种介质充注压力下的降温工况。随着空间充注介质压力的减少，空间温场均匀度和试件

6、的降温性能变差。由此可知，舱内充注90kPa氦气的粗真空状态既能提供一定负压试验氛围，又能相对于热真空设备增强换热有利于空间温场的均匀性，加快舱内试件的降温进程。关键词：氦气氛，液氮/冷氦气双冷源，极限低温，大降温速率、介质充注压力IIABSTRACTEXPERIMENTALANDMODELINGSTUDYONAHIGH-LOWTEMPERATUREENVIRONMENTCHAMBERWITHLN2ANDHELIUMASCOOLANTSABSTRACTAerospaceequipmentandpartswithstandextremelyharshenvir

7、onmentssuchashighvacuum,cold,blackbackgroundinspace.Toensurethereliabilityandstabilityofitsproperwork,spaceenvironmentsimulationtestisusuallyrequiredontheground.Insomespecialoccasionextremelowtemperature,highcoolingrate,etc.areevenrequired.Insuchoccasions,cryostatdevicebyfillingmed

8、iumtoenhanceheattransferef