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。      

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.      

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.     

环路热管稳态建模及运行特性分析

建立了环路热管的稳态模型,并基于能量平衡、压力平衡、质量守恒以及几何约束进行求解,证实了许多相关文献介绍的环路热管稳态运行特性,例如,热沉温度、环境温度等对稳态蒸发温度的影响.对下述问题提出见解:蒸发器的漏热的分析;可变热导区和固定热导区的成因;固定热导区热导的变化;工质充装量和储液器容积的确定方法.结果表明,用来加热通过毛细芯的流体的蒸发器漏热分量在热载荷较大时不可忽略;反重力高度和环境对回流液体的加热是可变热导区的成因;大热载荷下,固定热导区热导随热载荷增大而减小,并可能达到临界热载荷,其解决方案在于工质充装量和储液器容积的匹配.      

环路热管地面实验平台的热设计

文章旨在建立环路热管的地面实验平台,模拟环路热管在太空轨道运行的热环境。首先建立了地面实验舱的物理模型,对其如何实现在地面模拟太空中该环路热管的热环境进行了热分析计算,其次确定了满足环路热管轨道运行最冷工况和最热工况下的实验舱的壁面温度,最后对实现该轨道环境所需要的壁面绝热材料、制冷剂、制冷设备进行了选择,初步完成了实验平台的热设计。计算结果表明,在同时考虑舱内对流和辐射换热的条件下,要实现空间热边界条件,实验舱内舱的壁温要保证在-62.1~-10.9℃之间变化。     

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。     

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。      

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。      

环路热管复合芯传热与流动特性分析

环路热管是目前航天器热控制领域最前沿的热控技术之一,而高性能的毛细芯是其高效可靠运行的保证.为不断提升毛细芯的综合性能,目前毛细芯由单一结构向着复合结构发展.建立了圆柱型蒸发器环路热管应用的双层复合结构毛细芯的数学模型,对其传热与流动特性进行了分析,重点考察了热载荷以及复合芯内外层厚度比的影响,并同单一结构的毛细芯进行了比较.分析结果表明:复合芯在获得高的毛细抽吸力和蒸发效率的同时,可实现低的流通阻力与径向热导,其传热与压降特性明显优于单层芯,是高性能毛细芯的发展趋势;当复合芯的整体尺寸一定时,复合芯内外层的厚度比越大,复合芯的径向热导和流通阻力越小,有利于提高环路热管的运行性能.     

毛细泵环路系统运行特性的数值研究

给出了描述毛细泵环路(CPL)系统运行特性的非稳态模型,并运用该模型模拟了系统的启动过程,考察了储液罐中温度波动以及蒸发器上热负荷的突然改变对系统稳定性的影响;从数值模拟的角度更好地预测和分析CPL系统运行的过程和特点,该模型的数值结果与实验现象和实验数据相比有较好的一致性。通过该模型还可以进一步揭示CPL系统运行过程中启动困难、储液罐温度不能波动过大以及热流密度突然改变引起系统失效等内在原因,为设计出性能优良的CPL系统提供了理论依据。     

平板型MLHP温度波动研究

环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)是一种靠蒸发器的毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置。研制了一套平板式蒸发器、风冷式冷凝器的小型环路热管(MLHP),MLHP的毛细芯为500目不锈钢丝网,工质为丙酮,蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。主要研究了平板型MLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性,并重点研究了倾角以及充灌量等对MLHP系统温度波动的影响,且给出相应的合理解释。实验结果表明,平板式MLHP在2~3W/cm2热流密度区间范围内容易发生温度波动。     

丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究

通过采用石英补偿器和高速摄像机实现了对丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究，重点研究了补偿器内工质的状态随充装量和传热量的变化及充装量对环路热管传热性能的影响。研究发现，容积为51.4 mL的环路热管最佳充装量约为19.7 g。充装量小于最佳充装量的各工况下，能观察到对应补偿器内工质液面高度低于引流管，蒸发器和补偿器之间相变换热强烈，引流管外壁面明显有工质的冷凝及流动，且工质冷凝和流动的速度随着传热量的增加而加快；随着充装量增加，环路热管传热热阻减小，280 K工作温度以下的传热量增大。最佳充装量对应的补偿器内液面高度浸没引流管而接近蒸发器核心通道顶端，得到280 K以下最大传热量为40 W，对应的最优传热热阻为2 K/W。充装量大于最佳充装量的工况下，补偿器内液面高度超过蒸发器核心顶端，随着充装量增加，环路热管传热热阻增大，280 K以下的传热量减小。补偿器和蒸发器核心通道内的工质分布能影响蒸发器向补偿器的漏热量，这是充装量影响环路热管性能的重要原因。      

喷雾冷却系统稳态特性的实验研究

设计了一套可观察喷雾过程中的喷雾锥角、雾化效果、发热面上液膜及腔内气液分布状态的实验系统。验证了喷雾冷却技术解决极高热流密度散热问题的能力。通过实验研究了该系统的传热性能与稳态运行特性,分析了流量、喷嘴压降、喷雾高度、热流密度、热沉温度及回流液体过冷度等因素对系统传热性能和特性的影响。     

毛细芯蒸发器启动和运行特性

通过对毛细芯蒸发器(相当于环路热管在没有连接蒸气管路的情况)进行试验研究,巧妙地避开了工质循环和冷凝器等带来的影响,专注于研究毛细芯孔隙率和热源功率对蒸发器启动和运行特性的影响。结果表明:在某些条件下,毛细芯蒸发器启动时温度会出现剧烈的波动;毛细芯孔隙率越大,产生温度波动所对应的热源功率越小;毛细芯相同时,热源功率越大,越容易出现温度波动,并且温度波动的程度越剧烈。温度波动的原因是毛细芯孔隙率与热源功率等外部参数不匹配。