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。     

微重力下两相控温型储液器内气液界面仿真分析

两相控温型储液器对机械泵驱动两相流体回路的稳定运行起到关键作用，而储液器内部气液分布状态是其控温性能的决定性因素之一。在轨微重力条件下，储液器内两相流动特性与地面状态差别巨大，这将给储液器的设计带来较大难度。针对两相控温型储液器在轨微重力下的两相工质分布特性，通过计算流体力学（CFD）方法对其内两相流动行为进行数值模拟。通过使用连续表面张力模型计算表面张力，使用多相流计算的流体体积分数方法对两相控温型储液器内气液界面形态的发展进行了追踪预测，并与理论解进行对比，结果吻合一致。通过对两相控温型储液器在不同Bond数、接触角、工质充灌量等参数下的仿真分析，得到了不同条件下储液器内气液运动及分布情况，结果表明:两相控温型储液器内气液界面状态与储液器尺寸、壁面浸润性、工质充灌量相关。研究结果可以为微重力下两相控温型储液器内气液界面的控制提供理论依据，并能指导储液器研制及在轨应用。      

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。      

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。      

空间大功率热源两相温控系统设计与仿真

为解决未来空间应用中大功率热源带来的温控问题,提出了集微槽道蒸发器、相变装置和热辐射器在内的泵驱两相流体回路热排散系统方案,在此基础上开展了系统仿真工作,对流体回路运行特性和温控能力进行了研究。仿真结果反映了大功率热源短时工作条件下两相流体回路温度、饱和压力和干度的变化特征,两相流体回路工作特性符合设计预期,60 kW分布式大功率热源峰值温度能够控制在70℃以下。对泵驱动能力过剩所带来的不利影响进行了仿真分析,得出了泵驱动能力过剩导致两相回路系统温差增大的结论。分析了蒸发器和相变装置换热性能对温控系统的影响。蒸发器换热性能降低后,热源温度将超出要求范围;相变装置换热性能降低后,泵可能受到气蚀影响。     

失重飞机搭载气 /液两相流实验研究

利用俄罗斯IL-76MDK失重飞机对失重条件下方形截面(12mm×12mm)管道内气/液两相流动进行了实验研究,观测到失重条件下气/液两相泡状流、弹状流和环状流等三种主要流型,同时得到了气、液两相介质的流量、温度和实验段内压力等结果,分析了失重条件下方形截面管道内气/液两相流型转换的条件.      

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。     

不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.      

地面及微重力条件下低温贮箱内相变和传热的数值仿真

为了预测航天器低温推进剂在轨工作时受热后的状态变化,采用二维轴对称Volume of Fluid(VOF)气液两相流计算流体力学模型,同时选择Lee提出的气液相变模型.由于模拟试验采用低温液氮贮箱,因此本文采用低温液氮贮箱为数值仿真对象.微重力情况下,贮箱内气枕区的压力和压力上升率均低于地面状况,重力水平越低,压力和压力上升率越小,并且气体形成的气枕区位置和形状因表面张力大小随温度不同而动态变化,液体区间的温差也随重力水平的降低而增大.     

空间两相环路热控系统的动力学特性

针对两种典型的两相环路热控系统——毛细力驱动的平板型环路热管和机械泵驱动的两相环路热控系统(硅微条探测器控温系统, TTCS)展开讨论, 分析其工作原理, 介绍地面测试实验系统, 使用SINDA/FLUINT和Maltab/Simulink软件分别建立其动态模型. 研究结果表明, 平板型环路热管和TTCS均存在启动问题; 平板型环路热管运行时可能有较严重的稳定性问题, 而TTCS的稳定性相对较高; 重力对平板型环路热管的性能有较大影响, TTCS受重力的影响不大; 双通道平板型环路热管可以比单通道环路平板型环路热管有更优异的传热性能, 而TTCS的双辐射器结构可以有良好的流量和热量自调节能力. 在选择两相环路热控系统时, 需考虑热源的分布特点、寿命要求、控温要求以及系统尺寸和质量等因素, 这两种两相热控技术未来可交叉借鉴、优势互补.      

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。      

逆载对管道内汽水两相流临界热流密度的影响

利用旋转平台对逆载作用下矩形通道内汽水两相流临界换热进行了实验研究。通过改变逆载大小、入口流体过冷度、流体质量流速等参数,获得了静止和逆载作用2种状态下矩形管道内汽水两相流临界换热实验数据。实验结果表明,质量流速随着加热时间的增长而减小,进出口压差则反之;临界状态下,质量流速随着逆载、过冷度的增大而减小;进出口压差随着逆载、质量流速的增大而增大,随着过冷度的增大而减小;临界热流密度值随着逆载、质量流速、入口过冷度的增大而增大;其中逆载对临界热流密度的影响最为显著,在逆载从0g~2.5g变换范围内,临界热流密度可提高50%。     

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。      

动载对管内汽水两相流流阻、空隙率和传热的影响

利用旋转平台对动载作用下单相水和沸腾两相流流动及传热特性进行了实验研究.通过改变旋转速度、入口温度、液体流量等参数,获得了静止和旋转2种状态下的单相水及沸腾两相流实验数据.对旋转状态下的管内两相流型进行可视化拍摄,得到了动载作用下的两相流型图.结果表明,过载方向与流动方向相反时,过载越大,管内压力和流阻越大,液相流量、空隙率和流体得热量越小.可见,动载阻碍流体向前流动,强化了管外散热,削弱了管内流体的相变换热能力.     

载人运输飞船流体回路试验研究

详细介绍了载人运输飞船热控船流体回路主要技术方案,包括系统组成与流程设计、工作模式设计、主要技术状态等,并列出了流体回路全部试验工况及相关试验结果,试验结果表明流体回路具有良好的温度调控能力和适应能力。重点对流体回路辐射器、冷凝干燥器、冷板、换热器等设备换热能力及低温情况下工质体积补偿、低压情况下工质溶气释出导致泵压头波动等问题进行了分析。最后根据分析和试验结果对系统提出了优化改进建议。     

卫星单相流体回路热控系统前馈PID控制

利用传热学相关理论,对卫星单相流体回路热控系统的传热机理进行了分析与简化,建立起一个包括卫星单相流体回路各热组件模型、受控对象模型与控制系统模型的系统动态热模型。针对卫星单相流体回路系统惯性比较大,温度经常超调的特点,提出在现有PID反馈控制的基础上,引入系统热负荷作为反映系统扰动信号的前馈控制,以减少系统温度的动态偏差。利用热力学模型进行了仿真研究,仿真结果表明:采用以"系统热负荷"为信号的前馈PID控制温度超调量更小,具有更好的控制性能。仿真结果也可用于指导工程设计。