重力辅助环路热管稳态运行特性的实验研究

 随着环路热管应用领域不断扩展,其可能在各种姿态下运行,包括重力辅助姿态。对环路热管在重力辅助姿态下的稳态运行规律和特性进行了实验研究,并同平放及反重力条件下的运行特性进行了比较。通过实验可得出,在重力辅助姿态下,环路热管存在两种驱动模式,即重力单独驱动模式和毛细力与重力共同驱动模式。当热载荷较小时,环路热管工作在重力单独驱动模式,蒸汽管线内为气液两相工质,回流液体对储液器的冷却作用加强,运行温度明显低于平放及反重力条件下之值,热导显著增大;当热载荷大于某一临界值,环路热管工作在毛细力与重力共同驱动模式,蒸汽管线内为单相蒸汽,运行温度同平放及反重力条件下之值基本一致。最后,从环路热管系统压力平衡和储液器能量平衡的角度对上述实验现象进行了解释和分析。     

环路热管的地面实验研究现状

环路热管技术是目前航天器热控制领域内最前沿的热控技术,而双储液器环路热管更是凭借其正常工作不受蒸发器和储液器方位限制成为航空和民用领域的研究热点.分析了环路热管及双储液器环路热管的地面实验研究现状;对可视化实验研究成果进行了总结分析;针对目前关于环路热管在某些方面的传热机理和运行特性的研究还不够深入,提出在稳态、动态、主动控温等方面还需进行大量的可视化实验研究,对一些既往的理论和猜测还有待可视化的验证.      

加速度环境中环路热管稳态工作性能对比

环路热管在机载电子设备冷却领域具有较大的应用潜力。为了获得环路热管在加速度环境中的工作性能，针对2套具有不同蒸气管线和液体管线结构尺寸的不锈钢-氨双储液器环路热管，搭建了加速度环境中环路热管工作性能实验台，实验研究了2套环路热管在重力环境和1g～7g逆加速度环境、100～300 W热载荷下的稳态工作性能，结合工质受力分析，建立了加速度环境中双储液器环路热管系统流阻预测模型，分析了不同加速度大小、热载荷、热管结构形式对环路热管工作性能的影响规律及作用机理。结果表明：在重力环境中环路热管工作温度随热载荷变化呈“V”型趋势。逆加速度会引起回路流阻增大，导致工作温度升高甚至超温，对液体管线较长的环路热管尤为明显。1g和3g逆加速度、小热载荷时液体管线较长的环路热管工作温度低于蒸气管线较长的环路热管，而在5g和7g逆加速度时则相反。在重力环境和逆加速度环境中，蒸气管线较长的环路热管的可变热导区与固定热导区临界热载荷均在200 W左右。研究结果对机载电子设备冷却用环路热管的设计具有指导意义。     

不凝气体对环路热管工作性能的不利影响

通过向环路热管内充装定量氮气来模拟实际不凝气体的生成,考察了不同不凝气体含量、热载荷和热沉温度条件下,环路热管工作性能的变化.结果显示不凝气体对工作性能造成的不利影响体现在:取决于热载荷和热沉温度,可导致稳态工作温度升高2~10℃;在小于60W的热载荷区间或者-5℃的热沉温度条件下,不凝气体导致的不利影响更加显著;改变控温性能,产生一个故障热载荷区间;启动时间、启动温度、启动温升增大;引发温度波动现象和系统运行失效.基于特征点温度的变化特性,分析并讨论了不凝气体影响环路热管工作性能的物理机理.     

深冷环路热管瞬态数值仿真研究

针对深冷环路热管运行性能预测需求,基于组件内部工质分布、热力状态变化及流动传热特性,构建了具有辅回路的深冷环路热管瞬态数值模型,仿真分析了深冷环路热管在固定辅热载荷作用下的传热特性变化规律,对比实验结果验证了模型的可行性,得到了深冷环路热管稳态工作性能曲线和系统内部工质分布状态、热力学状态变化路径及系统压降等,指出文献关于液相回路必须具备足够过冷度的第三使役条件应正确表述为液相回路不能过热,即气、液两相共存的饱和状态同样满足第三使役条件的要求,并且更有利于系统的稳定运行。     

深冷环路热管稳态运行特性的理论分析

基于能量平衡、压力平衡以及质量守恒,建立了氮工质深冷环路热管(CLHP)的稳态数学模型,模拟结果同实验数据具有良好的一致性.应用该模型对CLHP的稳态运行特性进行了理论分析,考察了寄生热载荷、次蒸发器功率等对CLHP运行性能的影响,并得出如下结论:同常温环路热管相比,CLHP的传热能力明显减小;当主蒸发器热载荷较小时,寄生热载荷以及反重力高度的存在使CLHP的稳态运行温度明显升高,而通过对次蒸发器施加功率可显著改善CLHP的工作性能;CLHP最高运行温度/压力随储气室容积的增大而减小,相应的,其最大传热能力将受到限制.      

泵驱动相变冷却系统中储液器压力响应特性

储液器作为泵驱动两相冷却系统的关键设备,其响应特性将直接影响系统的运行效果.通过储液器压力特性在泵启动过程、热源启动过程和系统稳定运行过程之间响应关系的实验研究和理论分析,结果表明在机械泵启动阶段,由于工质R134a的物理特性和和齿轮泵的工作特性,储液器压力越低,系统启动越稳定.储液器压力的变化,对热源启动过程影响较小,热源启动稳定.在稳定运行阶段,储液器压力越低,蒸发器出口温度波动越大.      

航空电子设备冷却用环路热管冷凝器热沉分析

为确定环路热管用于机载电子设备散热的适用性,讨论了应用于航空电子设备冷却的环路热管冷凝器可用热沉,提出将机翼蒙皮作为环路热管冷凝器的热沉.通过机翼蒙皮的传热分析,计算了飞行任务包线下机翼蒙皮内表面温度,以确定环路热管冷凝器热沉温度范围.理论计算表明,利用环路热管将机载电子设备的热量耗散于飞机蒙皮是一种可行的热管理技术.      

小型毛细泵环(CPL)运行特性的实验分析

小型化是毛细泵环适应微小型高功率密度电子设备散热需求的一个发展趋势.对一小型毛细泵环进行实验研究,重点考察了重力场中不同姿态对毛细泵环运行特性的影响以及毛细泵环在高热流密度工作时的控温特性.根据实验结果可得:该小型毛细泵环可实现不同姿态下的迅速起动,并在热载荷递增过程中表现出良好的控温性能,最大传热能力达50 W,最高热流密度达到12.5 W/cm2,能够满足高功率密度电子元器件冷却的需求;当热流密度较低时,该毛细泵环可实现精确控温;而当热流密度较高时,蒸发器壁面温度波动较大,无法实现精确控温.      

纳米流体强化倾斜丝网热管换热特性

对纳米流体强化不同倾角轴向丝网热管的换热特性进行了实验研究,实验以水基CuO纳米流体作为工质,在稳压条件下运行,运行压力为7.45,12.38和19.97 kPa(对应的蒸汽饱和温度为40℃,50℃和60℃).实验结果表明,纳米流体质量浓度对倾斜热管的总热阻有明显的影响,存在一个使热管热阻最小的最佳质量浓度,此质量浓度为1.0%.倾角对热管的换热特性有很大的影响,倾角为45°左右时,热管的蒸发换热系数强化率最大.在此倾角下,蒸发换热系数最大增加了20%,热管的总热阻大约降低了15%.而最大热流密度的强化效果则随着热管倾角的增大而增强,最大增加25%左右.      

小型平板回路热管蒸发器内传热与流动的三维数值模拟

针对小型平板回路热管蒸发器内的流动与传热，建立了多区域耦合的数学物理模型，并应用FLUENT软件进行了三维数值模拟。结果表明:蒸发器传热特性在不同热负荷下呈现出较大的差异，其温度分布不仅取决于热负荷，更依赖于毛细芯表面发生的两种传热机制，即毛细蒸发和热传导。相比高热负荷(Q=120W)和低热负荷(Q=40W)，中等热负荷(Q=80W)下蒸发器各个部位的温度均较低。三种不同热负荷下，毛细芯反向导热均大于侧壁漏热，补偿腔内与毛细芯相邻处易出现高温区。冷凝回流液在补偿腔内的流动形成两个涡，这种流动特点有利于降低毛细芯的温度。当热负荷与系统冷凝能力匹配时，整个系统流动与传热特性最优。      

侧载及加热方位对槽道内临界热流密度影响

为了研究侧载以及加热方位对矩形窄缝槽道内临界热流密度特性的影响,在旋转平台上进行了两相流的超重力实验.以蒸馏水为工质,通过改变质量流速、入口温度、侧载大小以及加热方位,获得了发生临界换热现象时的质量流速、实验段压降和壁温的变化趋势,考察了侧载和加热方位对临界热流密度的影响规律,并对侧载下两相流不稳定性进行了简析.实验表明:发生临界换热时,壁温迅速上升,有效加热热流开始减少,关闭加热电源后,实验段压降下降、质量流速回升较明显;侧载以及不同的加热方位对临界热流密度有明显影响;临界热流密度发生前后,蒸汽回流导致进口温度上升,增加了流动的不稳定性.      

蒸汽腔平板微热管仿真及传热性能测试

平板微热管是一种新型的气液两相流传热器件,在空间有限的紧凑器件热控系统中应用更有优势,但是目前性能仍有很大提升空间。首先分析了具有蒸汽腔的平板微热管的工质输运特性,设计并制作了体积为45mm×16mm×1.75mm的蒸汽腔微热管,其中蒸汽腔的深度为200μm。制作了同样尺寸的无蒸汽腔微热管进行传热性能对比。试验结果表明,仿真分析与试验的温度差异在10%左右,高速图像采集系统采集图像与仿真图像可以较好地吻合。当输入功率为6W时,蒸汽腔热管的平衡温度为70.4℃,而相同功率下没有蒸汽腔热管的平衡温度为118℃。在1~6W输入功率下,蒸汽腔热管的平衡温度要明显低于没有蒸汽腔热管的平衡温度,因此蒸汽腔对于减小气态工质循环阻力,提高微热管传热能力有较大影响。本研究可为平板微热管的优化设计提供借鉴。     

红外窗口不同冷却方式下的结构传热和热应力特性计算研究

对外冷喷流和内冷管流等不同冷却方式下的红外窗口传热和热应力进行了数值计算研究.窗口结构传热和热应力采用有限元方法求解,带外部冷喷流窗口外表面气动加热率则通过对带冷源项的N-S方程求解给出,当采用管流冷却时,管流液体温度和窗口结构温度通过耦合迭代方式统一求解,管流和壁面间的换热系数采用工程关联公式估算.研究表明,在达到来流总温以前,窗口各点温度和热应力随加热时间单调上升,各时刻最大温度发生在外表面;而最大热应力则发生在合金材料内部.两种冷却方式对比表明,外冷方式对于窗口整体温度和热应力的降低十分有效,但具体到局部重要部位,外冷方式效果不如内冷,内冷方式对于管道附近部位具有更好的降温和降低热应力效果.因红外窗口尺度限制,冷却管道流动雷诺数偏小,流动为层流态,这限制了冷却管换热效率的提高,因此建议增加管道数目和管壁粗糙度来强化冷却.     

高空台加温试验进气管网传热过程的计算分析

分析了高空台加温试验时管网内部流动的动态换热特性,建立了管内气体和管壁的联合换热方程,在与试验数据对比的基础上提出了数学模型的修正方法,对试验中管网出口温升过程进行了计算,取得了较好效果。计算结果分析表明:局部热损失在管网散热过程中的比重较大,为缩短试验准备时间,应对混和器出口温度进行分段控制。     

倾斜微槽道热管中纳米流体的应用

为了研究热管倾斜角度和压力对热管蒸发段、冷凝段传热系数以及最大换热功率的影响,对使用水基CuO纳米流体为工质的倾斜微槽道热管强化换热特性进行实验研究.实验装置主要由带角度调节功能的微槽道热管和加热、冷却系统组成.实验结果发现,用水基纳米流体替代去离子水为工质时,热管整体换热特性得到明显增强,蒸发段、冷凝段传热系数以及最大功率都能大幅度提高,总热阻明显降低.倾斜水热管的蒸发段和冷凝段传热系数比水平水热管的有大幅提高,但最大功率变化不大.而倾斜纳米流体热管不但蒸发段和冷凝段传热系数比水平纳米流体热管有大幅提高,而且最大功率更有接近一倍的增加.对水和纳米流体两种工质,对应于最佳换热特性的倾斜角都是75°.因此,纳米流体对倾斜热管有良好的应用前景.