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。     

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。     

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。     

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。     

环路热管蒸发器毛细芯传热流动特性的一维分析

文章通过对液体在环路热管蒸发器毛细芯中的两种蒸发状态——表面蒸发状态、汽膜蒸发状态的分析，对液体在环路热管蒸发器毛细芯中的传热流动特性进行了一维数值计算，理论计算表明：在毛细芯正常工作状态下，液体在毛细芯中的蒸发属于表面蒸发，只有在进口液体存在过冷度时，汽膜蒸发才有可能存在。另外，文章还对毛细芯的壁厚、毛细芯的导热系数、进口液体的过冷度等因素对毛细芯传热流动特性的影响进行了讨论。     

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.     

热管内部流动与传热问题的模化分析

针对毛细芯圆管热管内部的耦合流动与传热问题进行模化分析,建立了二维轴对称模型,并进行了数值模拟。与前人一些关于高温钠热管的试验结果比较表明,数值计算结果与试验结果偏差不大,而且它们的变化规律也相符得很好。     

环路热管内工质流动特性的研究

由于环路热管（LHP）具有高传热性能、远距离传输热量、优良的控温特性和管路的可任意弯曲、安装方便等特点，使LHP在航天热控领域有着广泛的应用前景。文章对LHP内工质的流动压力降进行了分析和计算；对毛细芯所能提供的最大蒸发传热能力进行了预测，并结合实验研究综合分析了毛细芯结构对LHP性能的影响。     

热毛细效应对细丝薄膜流动不稳定性的影响

根据重力与热毛细力耦合作用薄膜在细丝上的流动情况,采用长波近似推导了界面的演化方程.通过色散关系分析热毛细作用对Rayleigh-Plateau稳定性的影响;通过时空模式的稳定性分析,研究了系统的绝对对流不稳定性特性;通过直接数值模拟,研究了薄膜破裂和绝对对流稳定性的关系.      

带冷罩的自旋弹头在液氮消耗时的姿态模型

研究了带液氮冷屏蔽罩(冷罩)的自旋弹头在自由飞行段中,冷罩多孔介质层内液氮不断消耗时弹头姿态的变化规律.针对工程上无法利用数值计算直接研究多孔介质中液氮消耗对弹头姿态运动影响的问题,以均相模型分析多孔介质层内气液混合物的运动规律,建立了均相介质在离心力作用下的渗流运动方程.对此方程进行无量纲化,分析了均相介质的运动规律,得到了变质量弹头的姿态动力学模型.通过分析与仿真发现,自旋角速度随冷罩内液氮消耗而不断增大,非自旋方向角速度不为零时,其运动频率不断增大,且会产生运动阻尼,但频率变化很小,运动阻尼量级也极小,工程中可忽略冷罩中液氮消耗对非自旋方向的影响.     

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。     

挡板对液体推进剂晃动力的影响

研究了全尺度重力探测卫星－Ｂ贮箱对于安装档板和不安装挡板情形下液体推进剂晃动的液体动力特性。结果显示,以重力瞬变加速度和重力梯度加速度为作用力的轨道加速度使液体推进剂产生了晃动,安装挡板使晃动幅度减小。由于推进剂在贮箱中上下运动的同时伴随着左右运动而产生了作用于贮箱上的力,通过液体推进剂与贮箱壁面的应力关系计算了作用在贮箱上的力。计算模拟结果显示,挡板产生的阻尼在减少流体晃恸 的同时也减少了流体作     

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。     

毛细泵环中两相循环回路的初步分析研究

本文初步分析研究了在微重力或失重情况下毛细泵环中两相循环回路的稳态流动，情况，提出了基于力平衡的两相循环回路一维稳态数学描述。从计算结果得出了最佳有效毛细孔半径等结论。     

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。     

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.     

液滴在圆内角处的毛细界面行为

容器内角广泛应用于空间流体管理,研究微重力环境下容器内角处液体界面行为对空间流体管理具有重要意义.由于设计和制造等原因,理想的尖内角结构无法实现,而是带有一定圆角过渡的内角.本文对液滴在圆角过渡内角处的毛细界面行为进行了理论分析和数值模拟,并与理想尖内角处的液滴毛细界面行为进行对比,得到定性和定量的新规律.与理想尖内角不同的是,液滴的毛细界面行为不仅与接触角和内角的角度有关,还与圆内角的圆角半径和液滴体积有关.      

基于流动沸腾气泡脱落行为的重力无关性分析

在流动沸腾现象中，气液两相密度差异导致重力对流动和传热性能产生很大影响，因此重力效应研究对于流动沸腾的航天应用具有重要意义.在对Bower-Klausner-Sathyanarayan重力无关准则（BKS准则）分析的基础上，提出其判据存在理论缺陷，不能正确反映重力效应.采用与BKS准则相同的气泡脱落模型，但忽略气泡沿加热管壁的滑动效应，重新计算常重力条件下不同流动方向起始沸腾阶段单气泡的脱落尺寸，归纳得到一个新的基于Fr（Froude数）的重力无关准则.该准则与实验结果符合更好，且与主导作用力准则基本相符.      

搅拌流内大振幅界面波特性研究

针对竖直管内不同工况下气液两相搅拌流内的大振幅界面波特征参数(波形、波幅、波长和频率等)及运动特性进行了实验研究,系统分析了流动参数对大振幅界面波特征参数及运动特性的影响规律。结果表明:由于重力和气流剪切力在大振幅界面波不同运动阶段的影响程度不同,大振幅界面波在运动过程中存在与气流先逆向后同向的运动特点,证明了液泛现象普遍存在于搅拌流内,揭示了造成搅拌流液膜振荡剧烈的原因;搅拌流内,大振幅界面波波形符合正态分布函数特征,且波幅较环状流内扰动波波幅大,但是波幅和波长变化趋势与环状流内扰动波变化趋势相似,即波幅和波长随着气速的增大而减小,随液量的增大而增大,且当气速较小时,临界波幅随着液量的增加逐渐趋于定值;而大振幅界面波平均产生频率随气速和液速的增大而增大。