月壤蓄熱是月球原位資源利用的一種重要方式,也是解決未來月球基地能源需求的最具潛力的途徑之一。針對月壤蓄熱過程,建立了基于球形堆疊的月壤蓄熱器多孔介質(zhì)蓄熱模型。蓄熱器的殼體采用登月艙下降級的燃料罐,流體傳熱介質(zhì)采用氦氣。通過數(shù)值模擬的方法研究了不同流動壓降下月壤蓄熱球堆疊方式、球直徑對蓄熱器傳熱過程的影響規(guī)律和機理,并分析了蓄熱動態(tài)過程。研究結(jié)果表明,月壤蓄熱球在簡單立方體均勻堆疊（SC）和面中心立方體均勻堆疊（FCC）兩種方式下,SC堆疊方式的綜合蓄熱指數(shù)比FCC模式可提高30.2%;同時還發(fā)現(xiàn)月壤蓄熱球的直徑存在最優(yōu)值,可使得蓄熱器在單位泵功下獲得最大的蓄熱量,并且該最佳值隨著流體進出口壓差增加而減小。該研究可為未來月壤蓄熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。 

【文章來源】：中國空間科學(xué)技術(shù). 2020,40(01)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

燃料罐尺寸

原始月壤質(zhì)地疏松,孔隙率大約為0.33,導(dǎo)熱系數(shù)極低,只有0.012 W/(m·K),必須經(jīng)過加工以提高其導(dǎo)熱性能�？紤]加壓的方法見圖4,將月壤在一定壓力下壓縮成球體,使孔隙率減小到0.1以下。假設(shè)孔隙率為0時月壤的導(dǎo)熱系數(shù)與花崗巖相等(λ=2.46 W/(m·K)),再將孔隙內(nèi)填充氦氣(T=1 000 K時,λ=0.36 W/(m·K))。當(dāng)氦氣的壓力足夠高,氦氣分子的平均自由程小于孔隙時,月壤的導(dǎo)熱系數(shù)達到最佳[4]。假設(shè)氦氣和月壤顆粒之間為串聯(lián)的傳熱方式,壓縮后的月壤有效導(dǎo)熱系數(shù)可用下式計算:

使用ANSYS中的Fluid Flow進行建模和求解,模型的網(wǎng)格劃分如圖5所示,采用Fluent的多孔介質(zhì)模型和k-ε湍流模型。多孔介質(zhì)模型使用非熱平衡模型,使用SIMPLE算法隱式求解。網(wǎng)格獨立性驗證如表3所示,分別采用84659、122835和167862三種網(wǎng)格數(shù)量,可以看到采用122835和167862兩種網(wǎng)格時,蓄熱器的平均溫升計算結(jié)果相對誤差為0.1%。為了兼顧計算效率和計算精度,后續(xù)計算中將采用網(wǎng)格數(shù)122835來計算。表3 網(wǎng)格數(shù)對蓄熱器平均溫升的影響Table 3 Effect of grid number on average temperature rise of thermal energy reservoir 網(wǎng)格數(shù) 平均溫升ΔT/K 84659 549.7 122835 548.6 167862 548.0

【參考文獻】：
期刊論文
[1]三維球形堆積床內(nèi)湍動特性的數(shù)值模擬[J]. 劉宏升,姜霖松,吳丹,解茂昭.  東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2018(08)
[2]圓球及橢球顆粒有序堆積多孔介質(zhì)內(nèi)強制對流換熱實驗研究[J]. 楊劍,閆曉,曾敏,王秋旺.  核動力工程. 2012(S1)
[3]三維顆粒有序堆積多孔介質(zhì)內(nèi)強制對流換熱數(shù)值研究[J]. 楊劍,曾敏,閆曉,王秋旺.  核動力工程. 2010(S1)



本文編號：3031933