空间技术与低温工程密切相关,有效、可靠的低温制冷系统在保证空间高超声速飞行器正常运行中显得尤为重要。低温冷屏蔽技术随着空间科技的日益成熟逐渐被重视,该技术的目的为有效抑制目标物的辐射强度,因而在原理上实现该技术的途径主要有以下两种,即减小辐射强度、改变辐射的传输过程。其中以降低目标表面辐射强度的技术应用最广泛,依据红外成像探测仪器的探测原理,只要减少目标表面发射系数和降低目标表面温度即可实现该技术,前者用低发射系数材料覆盖于飞行物的方法减少辐射强度,后者则需要对目标表面覆盖一层绝热材料或利用某些制冷剂和相变材料来实现。目前利用低温流体的相变制冷获得冷量的方法被广泛应用,该技术借助流道内深冷剂蒸发吸热来有效降低飞行器表面温度,即有效减小了辐射强度,达到了屏蔽外界热量的效果。液氮冷屏蔽系统采用液氮作为深冷剂,利用毛细材料分层蓄液、近三相点制冷、扩压分流等原理来降低飞行器表面的温度。液氮冷屏系统作为空间有效的制冷设备,其内部的相变制冷和节流制冷是两个重要的过程,过程涉及了气液两相流界面形态、蒸发与冷凝、两相流流型等复杂过程。目前缺乏高真空、微重力、冷背景下冷屏蔽系统在近三相点时相变节流制冷所需基础理论支持,因此对冷屏内部流场形态、传热情况等的相关研究具有很重要的意义,同时也为冷屏结构的进一步设计工作提供相应的理论依据。ANSYS FLUEN T提供了很多数值模型,本文采用多相流VOF模型、RN G k-ε湍流模型,表面张力CSF模型、蒸发—冷凝模型分别对液氮夹层单元模型及节流阀扩压腔模型内的流体流动情况进行数值模拟。其中多相流VOF模型是一种流体体积函数,即是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法,在流场中的每个网格,该函数定义为目标流体的体积与网格体积的比值,只要知道函数在每个网格的值,就可实现对运动界面的追踪。VOF模型中也包含了多相流之间界面存在的表面张力作用,这种作用由流体与壁面之间的接触角来反映,FLUENT提供了表面张力CSF模型。RNG k-ε湍流模型,在计算功能上强于标准k-ε模型,该模型对近壁区进行适当处理后可以计算低雷诺数效应。蒸发—冷凝模型根据多相流和表面传热模型来表示蒸发、冷凝两个模型相界面的质量传递,其中Lee模型被广泛使用,该模型是基于物理基础的机械模型。根据模型特点结合数值模拟中各类模型的适用条件,及根据微重力环境下存在热毛细对流的特点,通过改变接触角大小及Bo数大小,观察液氮在三相点时,夹层单元内气液两相界面的变化情况,同时得出不同工况下模型内部的流场分布情况,并与已有的单相流流场分布模拟结果进行对比。通过计算并对照Hewitt-Roberts垂直上升管流型图,验证节流阀扩压腔内流体在三相点、零重力环境下数值模拟出现的流型的合理性,并对对应流型的流场分布进行了分析,同时通过改变气、液两相折算速度,得出流型分布情况、不同流型时的含气率分布规律及压差分布规律。模拟结果表明,接触角越小,Bo数越小,液氮夹层单元内部越易形成被液相包围的封闭大气泡,此时模型内部压差、温差、最大速度随之减小,接触角在90°,零重力条件下及接触角在10°,1g条件下的气液界面基本无明显变化,在接触角大于90°时,液相沿壁面爬升能力很弱,使得气液界面出现下凹的现象,由模拟结果结合实际情况可得出微重力、接触角小的情况下相变制冷过程较为稳定,但容易发生液泛现象,应适当增大接触角来抑制液泛现象的发生。节流阀扩压腔模拟结果中出现了四种流型型态,包括两种形态的细泡状流型、细泡-弹状流型及块状流型,与计算所得流型基本吻合,几种流型的含气率均随高度的增加而增大,且弹状流和块状流含气率较泡状流大;将不同气、液折算速度下模拟结果得出的流型分布情况与理论计算结果对比,基本吻合,且当液相折算速度不变时,随着气相折算速度的增大,气相对液相作用力增大,节流阀扩压腔内的含气率升高而压降随之降低。结合液氮夹层单元和节流阀扩压腔内的数值模拟结果,使用制冷剂计算软件REFPROP绘制相变制冷过程和节流制冷过程中的温熵图,通过读取所需物理量,计算出两个制冷过程中的制冷量。节流制冷过程将不同节流压比时的制冷量进行对比,得出节流压比越大,制冷量越大。