Page 104 - 2023年第54卷第6期

（２）热端表面温度变化呈现非线性特征。由上图可知，几乎所有工况下的热端表面温度降温速率
都呈现 “先陡后缓” 特点，即前期降温剧烈而后期降温变缓，以图 ５（ｃ）为例，１ｇ、１０ｇ、５０ｇ状态下
－ ５
－ ５
５
－ ５
５
５
前 ２ × １０ ｓ平均降温速率分别为 １２．５ × １０ ℃?ｓ、１５．５ × １０ ℃?ｓ、１７．５ × １０ ℃?ｓ；２ × １０至 ４ × １０ ｓ这一
－ ５ － ５ － ５ ６
时间段上述降温速率分别降至 ３．５ × １０ ℃?ｓ、３ × １０ ℃?ｓ、２ × １０ ℃?ｓ。最终在 １０ ｓ（１１．５７ｄ）时热面
温度可接近冷面初始温度，耗时冗长。这一现象的主要机制在于随着表面温度的逐渐降低，冷、热温
差变小，导致由温差驱动的对流换热的换热热量变小 ［１５］ 。
（ ３）重力加速度、间隙间距对超重力场下模型表面制冷效果的联合影响存在不确定性。事实上，
６
试验时的模型时间远达不到 １０ ｓ（相当于模型时间 １１．５７ｄ），通常在 ５ｈ以内甚至更短。为了便于考
５
察，暂不考虑 １ｇ常重力场工况，将其他有关工况 １０ ｓ以内时间内的有关温度变化情况提取，绘制在
图 ６中，相当于模型时间 ２７．５ｈ。其中的不确定性体现在：
①对于 Ｌ ＝ １ｃｍ的工况，当 Ｎ ＝ １０ 时，与 Ｌ ＝ １０ｃｍ工况比较，其降温速率未明显提升，甚至后期
降温速率不及 Ｌ ＝ １０ｃｍ的工况。但当 Ｎ提升至 ３０和 ５０时，模拟表现为重力加速度越大，降温效果
越好；
②对于 Ｌ ＝ １０ｃｍ的工况，除各超重力场工况下对比 １ｇ常重力场时降温效果有明显提升外，超重
力场工况之间对比时却无明显差异，此时通过调整 Ｎ值也不能显著改变降温效果；
③当 Ｌ增大到 ２０ｃｍ时，又呈现重力加速度越大、降温效果越好的特点，但降温效率较小间隙
（Ｌ ＝ １ｃｍ ）工况时出现下降，降温速率变慢；
④就 Ｌ ＝ １０ｃｍ、２０ｃｍ这两个工况进行比较，前者在不同加速度工况下的降温速率始终高于后者，
但在 Ｎ ＝ ５０时两者降温速率的差距发生了缩小。
（ ４）冷端初始温度 Ｔ 对热端终态温度有影响。当冷端温度降至－ ４０℃时，热端表面温度变化如图
ｃｉ
７所示。可以看出，同一时间范围内，冷端温度越低，模型热端表面可达到的最低温度越低，但对降
温速率无显著影响。需要补充的是，从模拟中可以看出，采用温差制冷的方式，在模型时间尺度下使
模型表面的温度达到冷端表面设定温度的这一过程较长，不方便试验。

图 ６ 模型时间 ２７．５ｈ尺度下有关工况模型表面温度变化 图 ７ 冷端初始温度对热端温度变化的影响

４ 讨论

从以上数值分析可知，改变间隙间距 Ｌ、重力加速度（模型率 Ｎ）、冷端表面温度 Ｔ可以影响模型
０
表面的降温效果，但两者的影响存在不确定性。事实上，试验开展的目的是为了模拟真实状态，相应
的物理量也需要换算成原型。那么，从模拟中反映出的一些不确定性需要做进一步讨论。
从热交换角度来说，模型表面温度是试验中首要考察的物理量。温度是固有量、不变量，即模型
与原型中温度都是相等的，根据模拟结果得到了一个似乎合理的结论：想要制冷效果好、降温效率
高，就缩小间距、提升重力加速度，但这一结论应仅是针对温度而言。考察寒冷程度的另一项重要指

— ７ ３ —
２