航天機械泵驅(qū)動兩相流冷卻環(huán)路循環(huán)特性的研究.pdf

1、機械泵驅(qū)動兩相流冷卻系統(tǒng)(MPCL)是一種新型的主動式航天熱控冷卻技術(shù)，該技術(shù)與毛細泵熱管或者環(huán)路熱管有很多相似的地方，均是采用兩相流將電力電子設(shè)備或者發(fā)熱元件所產(chǎn)生的廢熱排放出去。本論文首先對系統(tǒng)設(shè)計和地面實驗臺的搭建進行介紹，本研究以二氧化碳為循環(huán)工質(zhì)，以機械泵為驅(qū)動力，最大散熱量可以達到1000瓦。 本文首先對系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的選擇進行理論分析和計算機模擬。在理論分析中提出了MPCL系統(tǒng)工質(zhì)選擇的基本依據(jù)。在模擬計算中，采用

2、Sinda/Fluint軟件建立系統(tǒng)的計算機模型，模擬氨、丙烯和二氧化碳三種常用工質(zhì)的運行特性，結(jié)果表明：在目前散熱量小于1000W的航空主要應(yīng)用背景下，氨的循環(huán)工質(zhì)量較少，穩(wěn)定性和機械泵流量的控制方面效果較差；丙烯由于沿蒸發(fā)段的溫度梯度大，因此等溫性差；二氧化碳在散熱量小于1000瓦的條件下具有較大的優(yōu)勢，主要因為循環(huán)阻力較小，泵的能耗和壓頭較小。此外其熱物性品質(zhì)較高，液/氣密度比較小，使得蒸發(fā)段的溫度梯度大大減小，更適合于散熱區(qū)域分

3、散或等溫化程度要求較高的設(shè)備使用。 接下來的實驗研究主要包括系統(tǒng)的啟動、工作點的控制以及穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的運行特性分析。其中啟動過程是MPCL兩相系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，實驗部分首先對啟動過程的動態(tài)響應(yīng)進行分析。MPCL系統(tǒng)的啟動主要分為壓力穩(wěn)定階段、機械泵啟動和加載熱負荷三個基本過程。實驗結(jié)果表明，在機械泵啟動過程中，系統(tǒng)的蒸發(fā)段將出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，在過熱的亞穩(wěn)態(tài)向兩相態(tài)閃蒸的同時對系統(tǒng)產(chǎn)生力脈沖(系統(tǒng)絕對壓力激增)和阻力脈沖(泵前后的差壓激

4、增)。其中過熱度的大小與設(shè)定溫度、流量和熱流密度等條件有關(guān)，啟動溫度越高，過熱度越??；熱流密度越高，過熱時間越短，阻力脈沖越大；流量越大過熱時間變長，阻力脈沖越高。為了減小阻力脈沖，實驗還發(fā)現(xiàn)采用高熱流密度預(yù)熱器的方法可以有效的減小阻力脈沖。 在隨后關(guān)于MPCL系統(tǒng)工作點的溫度控制方面研究發(fā)現(xiàn)采用半導(dǎo)體制冷片和主回路支路協(xié)同工作的方案是目前該類系統(tǒng)的最優(yōu)控溫方法。實驗結(jié)果表明，該方法使得儲液器的控溫精度達到±0.1℃，在制冷片

5、10瓦的輸入功率下降溫速度提高到0.36℃/min，較常用控溫方案既保證儲液器的控溫精度和降溫速度又提高了半導(dǎo)體制冷片的工作效率。 在系統(tǒng)的運行特性研究中，實驗重點是研究穩(wěn)態(tài)運行和瞬態(tài)運行的工質(zhì)散熱及循環(huán)規(guī)律，尋找決定系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素。研究內(nèi)容包括邊界條件恒定與邊界條件周期性變化實驗、變流量或熱負荷實驗、系統(tǒng)支路熱負荷不平衡性實驗等。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的可靠性，當外界擾動發(fā)生時，系統(tǒng)通過自身調(diào)整很快進入穩(wěn)定狀態(tài)。其中，

6、儲液器的設(shè)計和系統(tǒng)工質(zhì)的充灌量在很大程度上決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，當運行參數(shù)或者邊界條件發(fā)生改變時，儲液器和主回路之間將發(fā)生液體的交換，系統(tǒng)的主要壓力與溫度參數(shù)將發(fā)生改變，當儲液器內(nèi)的汽液相界面穩(wěn)定到新的位置，系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)。 綜上所述，在機械泵和儲液器合理設(shè)計的前提下，只要保證泵的入口為液態(tài)、蒸發(fā)段的出口干度小于0.5、冷凝器有足夠的放熱能力而溫度小于循環(huán)工質(zhì)的三相點，系統(tǒng)就能夠穩(wěn)定可靠的運行。該類系統(tǒng)具有等溫性高、傳輸距離