平板型CPL的设计与实验研究

在对毛细抽吸两相流体回路(CPL)系统进行了系统分析的基础上,设计了平板型CPL,并且搭建了CPL系统实验平台,做了各种工况的启动实验和变热负荷实验。实验结果表明,多孔芯冷凝器平板型CPL系统具有良好的启动性能,并且系统在运行过程中工作稳定,较好地抑制了系统的压力波动。     

加速度场中环路热管温度波动现象分析

基于离心机系统,搭建了双储液器环路热管（DCCLHP）工作特性实验台,实验研究了环路热管在地面重力场和过载加速度场中的运行性能,热载荷范围为25～300 W,过载加速度大小为3g～9g,分析了不同热载荷、加速度方向、大小对环路热管温度波动的影响。结果表明,过载加速度会改变环路热管的启动模式和运行性能,可抑制或激发冷凝器出口温度波动甚至整个环路的波动,但相同热载荷下蒸发器运行温度基本一致。回路中气液两相流动自身固有的不稳定性在过载加速度效应下更易受到激发,加剧回路中流动不稳定,进而加剧蒸发器向储液器漏热的不稳定。冷凝器的冷却作用可以有效削弱冷凝器段的温度波动。      

两相控温型储液器进出流量的瞬态数值模拟

两相控温型储液器是泵驱两相流体回路（MPTL）系统中的一个重要部件,承担着工质存储、供给、气液分离及精密控温的作用。采用Navier-Stokes方程建立了MPTL系统瞬态模拟的仿真模型,可用于研究热源功率变化时储液器与主回路的动态传热和传质特性。通过仿真与试验对比发现,数值模型的流量误差在±10%以内,验证了模型的有效性和准确度。数值模拟结果表明:热源开关机时,储液器与主回路发生工质交换,气液两相的温度和压力受到影响,系统的流阻也受到影响;随着热源功率的增加,工质交换速率和交换总量随之增加,储液器内气液两相的温度和压力变化趋势随之增大。该模型可用于研究不同工作条件下的流量、温度和干度的变化特性,指导MPTL设计,并在系统搭建前预测系统特性。      

环路热管温度波动现象的实验分析

对实验中观察到的环路热管温度波动现象进行了描述和解释.实验发现,较小热载荷和较大热载荷下环路热管容易出现温度波动现象.对于蒸发器充满液体的启动情况,小热载荷启动容易出现毛细芯内的工质蒸发现象,芯内蒸发继而引起冷凝器入口处的温度波动,并且最终导致可变热导区的稳态工作温度偏高.冷凝器出口处的温度波动现象产生的原因是工质充装量和储液器容积的不匹配,冷凝器出口的温度波动可以通过对工质充装量的控制来避免.     

加速度作用下环路热管工作特性实验

针对单储液器环路热管在过载加速度作用下可能出现的温度波动甚至无法运行的问题,基于恒加速度离心机系统,建立了双储液器环路热管(DCCLHP)工作特性实验台,实验研究了双储液器环路热管在重力场稳定运行后再施加过载加速度时的工作特性,分析了不同加热功率、不同加速度大小和方向对其运行性能的影响.结果表明,双储液器环路热管在加速度为7g时仍可达到稳定工作状态,加速度作用导致其稳定运行温度低于地面重力场的温度,且随加热功率和加速度不同,运行温度降低程度不同;加速度方向沿储液器2指向储液器1时其达到稳定状态所需时间比其反方向时更短.实验还观察到了加速度作用下冷凝器出口和液体管线出口温度波动现象.      

多回路耦合CPL系统的几种失效情况分析

毛细抽吸两相流体回路(CPL,CapillaryPumpedLoop)在运行过程中可能会发生蒸发器失效的现象,严重影响了其可靠性。文章对CPL在变工况过程中可能引起蒸发器失效的一些因素进行了分析,并通过实验研究了一个多回路耦合CPL系统在某些热边界条件发生骤变时,系统的瞬态响应以及部分蒸发器失效的过程。     

双储液器环路热管的设计与实验研究

设计了一套双储液器环路热管以解决其重力场中运行受方位限制的问题,介绍了通过储液器体积和工质充装量的匹配设计避免最难启动情形发生的方法,并进行了相关的实验研究。实验验证了双储液器环路热管重力场中运行不受方位限制的特性,并且发现,在可变热导区的一定的热载荷范围内,双储液器环路热管在不同姿态下稳态运行温度不相同,而其他热载荷区域内却基本一致。文章分别从储液器能量平衡和回流液体过冷量有效利用率的角度进行了分析和解释。     

航天遥感器用泵驱两相流体回路热真空试验研究

针对航天遥感器核心组件的高精度与高稳定度的控温需求,设计并搭建了一套泵驱两相流体回路(MPTL)试验装置,该装置使用了一套具有被动冷却能力的两相控温型储液器。为验证MPTL系统在高真空、极低温与变化外热流条件下的工作能力,在真空罐内对MPTL系统在不同工况点下的散热与控温能力进行了测试,并通过温度和压力等数据研究了主回路的运行特性、储液器内热力学变化特性及两者之间的传热传质过程。结果表明：MPTL系统的控温点可通过储液器进行快速调整,蒸发器温度的变化受外热流与热源开关影响较小;进入毛细管中的过冷液与储液器中的液相形成的温差保证了储液器冷量的供应;主回路发生相态转变时,储液器与主回路工质交换特性引起了系统压力降脉动。     

并联蒸发器环路热管实验研究

采用并联蒸发器环路热管作为传热元件,并联冷却管辐射器作为散热部件,建立了包括热量收集、传递与排散的环路热管(LHP)集成试验系统,并进行了实验研究。实验结果表明:在并联蒸发器LHP系统中,蒸发器按顺序先后启动是其稳定的启动方式;在LHP运行过程中,当LHP工作在可变热导模式下,只有一个液体补偿器中保持汽液两相状态,并控制着LHP的运行温度,另一个液体补偿器则被充满液体,且处于过冷状态;在总热负荷不变的情况下,随着热负荷在蒸发器之间的分配不同,LHP的运行温度改变。当LHP工作在固定热导模式下,LHP的运行温度只与总热负荷有关,而与热负荷的分配情况无关。     

毛细泵回路蒸发器的数值研究

文章针对毛细泵回路(CPL)蒸发器内的多孔芯结构, 建立了描述换热和流动的非稳态数值模型。该模型采用焓模型来处理多孔介质内工质的相变问题, 通过分区计算既避免了采用耗时复杂的自适应网格技术又能方便地跟踪汽液界面, 为处理多孔介质中的毛细力带来方便; 在处理流动问题时, 通过对源项的处理考虑了毛细抽力的作用, 体现了毛细抽力是CPL的动力源, 从给定的算例来分析, 该数值模型较好地反映了毛细芯的工作特性。     

CPL蒸发器传热和蒸发流动过程的分布参数模型

针对ＣＰＬ蒸发器，建立了可据以分析其传热过程和蒸发流动过程的分布参数模型，并就一个模拟算例进行了考察，得出了有意义的结论。该模型较之传统集中参数模型的优点在于，其计算结果反映出了蒸发器内沿轴向流动过程中各肋壁温度及肋壁与流动工质之间换热系数大小的变化情况以及蒸发器内局部蒸汽（或液体）的热力状况，因而为从细节上揭示ＣＰＬ蒸发器的传热性能及其工程模型的试验研究、优化设计等打下了一定的基础     

用一维恒温相变界面模型研究毛细芯蒸发器温度场

对ＣＰＬ毛细芯蒸发器提出了一维恒温相交界面模型：蒸发器壁、液体、蒸汽分别在横截面上的温度相同，即温度只有沿轴向才有变化；蒸发器壁、蒸汽分别和液体之间存在温度为饱和温度的汽液交界面，蒸发器壁、液体、蒸汽通过该交界面进行换热。根据此模型，应用带有特殊内热源项的一维能量守恒方程求解了温度场。在计算中估计并推荐了几个换热系数，给出边界条件后可得到蒸发器内温度场的数值解。蒸发器壁温的计算值与实验结果符合较好。     

液氮温区平板蒸发器环路热管实验研究

深低温环路热管是一种高效的深低温两相传热器件,未来可广泛应用于红外探测等空间项目的低温热控系统。为有效减小热管与热负荷间的接触热阻及热管的背向漏热,采用氧化锆作为毛细芯材料,研发了氮工质平板蒸发器环路热管,重点研究了热管的自启动特性、传热性能以及在间歇性热负荷下的运行情况。结果表明:在无辅助情况下,液氮温区平板蒸发器环路热管自启动性能良好,可依靠工质扩散从室温迅速降温至液氮温区。环路热管能够在70~100 K温区稳定运行,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小,最大传热功率为15 W,最小热阻为0.8 K/W。在蒸发器间歇性加热的情况下,环路热管可以保持温度稳定,热响应迅速,无需二次降温。液氮温区平板蒸发器环路热管有效满足了空间低温光学系统的热控制系统的热传输需求。      

小型平板CPL实现高热流密度散热的研究

针对小型平板毛细抽吸两相流体回路(CPL)在高热流密度下的特点,分析了不同工质时系统的压力损失与毛细芯的毛细抽吸力,得出采用氨工质有着较好的传热性能和更高的毛细限,同时得出影响系统毛细限的主要因素是蒸汽联管管径和工质的蒸气密度,提出了工质传输系数作为选取工质的重要指标。建立了蒸发器多孔芯,金属壁面以及工质气、液空间区域的耦合数学模型,并运用SIMPLE算法进行求解,得出蒸发器内的温度分布及由于侧壁效应对多孔芯传热传质与传热极限的影响,同时提出小型平板CPL系统存在侧壁效应传热极限,它是影响系统最大传热量的一个重要极限,在设计小型平板CPL必须予以考虑。     

机械泵驱动两相冷却系统启动特性的实验研究

机械泵驱动两相冷却系统是一种以机械泵为驱动力的封闭式相变传热设备。该研究首先对该系统启动的加热增压、机械泵启动和热载启动三个阶段进行实验分析,并通过系统各主要参数的变化发现启动过程中将产生液体过热现象,并且有较大的压力冲击。然后通过大量实验对与过热度有关的启动温度、流量和启动热负荷进行比较分析,得出启动温度越低,产生的过热度越大的结论。最后对蒸发段在气态条件下启动进行实验研究,结果表明此时过热度要大于液体启动的过热度。     

CCD器件用机械泵驱动两相流体回路仿真与试验

电荷耦合元件（CCD）作为航天光学遥感器的核心部件之一,其工作性能受温度影响很大,传统的热控产品难以满足大功率CCD的精密控温需求。通过仿真与试验系统研究了机械泵驱动两相流体回路（MPTL）用于CCD控温时的启动特性、运行状态、内部工质的流动及传热特性。结果表明:MPTL可以通过干度的调节来吸收冷凝器外热流和CCD工作模式的影响;MPTL的控温精度可以达到±1℃,蒸发器并联支路、蒸发器负载和冷凝器温度在一定范围内变化等均不会对系统运行稳定性产生影响,其仍可将CCD器件控制在所需温度;通过仿真与试验对比,发现仿真模型的误差在±1℃以内,验证了模型的有效性和准确度。MPTL可以很好地满足航天光学遥感器CCD的控温要求,能够保证CCD始终具有较好的温度稳定性和均匀性,且系统具有良好的运行特性和鲁棒性,其在CCD精密控温方面具有很好的应用前景。      

CPL蒸发器毛细芯非饱和流动与传热的场协同分析

在非饱和三层模型基础上,从场协同的角度,对工质在CPL蒸发器毛细芯中的流动与传热情况进行了详细分析。对蒸发器的几何结构参数、毛细多孔芯特征参数以及热负荷变化对工质传热传质效果的影响进行了数值模拟。结果表明,利用场协同原理,可以解释不同的蒸发器结构参数和热负荷对蒸发器传热效果的影响,从而为优化蒸发器结构,提高CPL效能提供理论依据。     

热负荷及给水压力对水升华器启动和使用策略影响

热负荷、给水压力等参数的匹配设计,对水升华器启动及运行过程中内部气 固 液相变界面的位置具有重要影响,从而影响其运行稳定性和使用策略。开展了水升华器分别在低热负荷低给水压力、高热负荷高给水压力工况下的启动试验研究,及水升华器在低热负荷低给水压力下启动运行至稳定后调整为高热负荷高给水压力运行的响应特性研究。阐明了热负荷及给水压力对水升华器启动和稳定运行策略的影响。试验结果表明：水升华器在较高热负荷及较高给水压力工况下启动,可以在更短时间内建立稳定状态,但发生“击穿”风险大;水升华器需在高热负荷、高给水压力下运行时,采用在低热负荷、低给水压力下启动,然后在高热负荷和高给水压力下运行的方式,可以减小启动过程的“击穿”风险,且不影响其稳态散热能力。     

空间遥感器用环路热管瞬态数值模拟与在轨验证

为满足空间遥感器环路热管（LHP）在轨应用需求，建立了高分九号卫星电荷耦合器件（CCD）用LHP瞬态数值模型。模型采用了节点-网络法和流动与传热关系式耦合的方法，考虑了蒸发器与储液器之间的传热传质过程。通过仿真与在轨数据的对比，发现LHP内部组件温度偏差为0.2~0.4℃，冷凝器测点温度偏差为0.5~2.0℃；预热器通过干度的变化调节了冷凝器外热流和热源工作模式的影响；热源的工作模式对蒸发器向储液器漏热、回路流阻及两相段长度均有影响。所提模型可用于不同轨道外热流及热源工作模式下，研究LHP内部各参数的变化规律，预测LHP系统的瞬态工作特性，并指导后续产品的设计与研发。