毛細(xì)泵回路流動(dòng)與換熱機(jī)理研究.pdf

1、毛細(xì)泵回路（CPLs）和環(huán)路熱管（LHPs）是一類兩相熱傳遞裝置，它利用蒸發(fā)器中毛細(xì)芯的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)，具有傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸功率大，溫差小等特點(diǎn)。CPL和LHP被認(rèn)為是未來(lái)航天器最有前途的一類熱控裝置。 這篇論文的目的是研究小型化CPL及LHP蒸發(fā)器和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，優(yōu)化設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)行地面實(shí)驗(yàn)研究。研究的主要內(nèi)容包括： 1．毛細(xì)芯和蒸發(fā)器的數(shù)值模型研究 建立了毛細(xì)芯內(nèi)二維數(shù)值模型，該模型包

2、括耦合的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。利用該模型可以方便得到毛細(xì)芯內(nèi)的溫度場(chǎng)，速度場(chǎng)，可以較精確地跟蹤汽液界面的位置。模型揭示了毛細(xì)芯的工作機(jī)理。利用商業(yè)軟件FLUENT等建立了蒸發(fā)器的三維數(shù)值模型，并利用該模型分析了不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)與換熱過(guò)程，數(shù)值結(jié)果對(duì)CPLs和LHPs的設(shè)計(jì)起到了良好的指導(dǎo)作用。 2．系統(tǒng)數(shù)值模型研究 建立了描述LHP穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的數(shù)值模型，分析了影響系統(tǒng)工作溫度的若干關(guān)鍵因素，包括熱沉溫度，環(huán)境溫度以

3、及反重力高度等。建立了描述CPL系統(tǒng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性的瞬態(tài)模型，并利用該模型結(jié)果分析了系統(tǒng)啟動(dòng)容易失效、突然改變熱流密度會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)其供液不足（Depriming）等原因。模型還揭示了儲(chǔ)液罐溫度的波動(dòng)對(duì)CPL系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性非常不利。 3．CPLs和LHPs用高性能毛細(xì)芯的研制 采用粉漿澆注法和冷壓法制備毛細(xì)芯型坯，氫氣還原氣氛燒結(jié)出了CPLs和LHPs用高性能毛細(xì)芯。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了不同燒結(jié)參數(shù)，如坯密度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)

4、時(shí)間等對(duì)毛細(xì)芯孔隙率、孔隙尺寸、機(jī)械強(qiáng)度、變形率等影響。毛細(xì)芯性能測(cè)試參數(shù)及電鏡照片（TEM）結(jié)果均表明：研制出的毛細(xì)芯性能優(yōu)越，孔隙率超過(guò)了68％，有效毛細(xì)孔徑約0.7μm，同時(shí)具有機(jī)械強(qiáng)度高，變形率小等特點(diǎn)。分析結(jié)果表明，該高性能毛細(xì)芯可以顯著地提升CPLs和LHPs的性能。 4．CPL和LHP系統(tǒng)的運(yùn)行特性研究 針對(duì)當(dāng)前航天器的熱控要求設(shè)計(jì)了三套小型化CPL系統(tǒng)和一套LHP系統(tǒng)，并進(jìn)行了地面實(shí)驗(yàn)研究，研究?jī)?nèi)容包括：

5、系統(tǒng)啟動(dòng)特性、熱流密度突變特性、周期熱源條件下熱特性以及不同姿態(tài)下系統(tǒng)熱特性等等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)前設(shè)計(jì)的CPL和LHP系統(tǒng)具有高性能和高可靠性的特點(diǎn)；同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也揭示了：CPL儲(chǔ)液罐溫度波動(dòng)、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)以及有效毛細(xì)抽力是影響系統(tǒng)性能最關(guān)鍵的幾個(gè)因素。實(shí)驗(yàn)還重點(diǎn)研究了 CPL系統(tǒng)的反重力性能，結(jié)果表明，當(dāng)前的小型化CPL系統(tǒng)在2.0米反重力高度可以傳輸超過(guò)150W的熱量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析了系統(tǒng)中溫度波動(dòng)的起因以及充液率對(duì)系統(tǒng)性

6、能的影響。另外，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述數(shù)值模型的正確性。 5．孔隙尺度研究毛細(xì)芯中熱量和質(zhì)量的傳遞過(guò)程探索性地運(yùn)用Lattice-Boltzmann（LB）方法，從孔隙尺度研究了多孔毛細(xì)芯內(nèi)熱量和工質(zhì)傳遞過(guò)程。當(dāng)前的研究結(jié)果表明，LB流動(dòng)模型和熱模型的精度都較高，適合用于研究CPL和LHP毛細(xì)芯內(nèi)復(fù)雜的能量與質(zhì)量傳遞過(guò)程，并行模型的運(yùn)用使該數(shù)值計(jì)算方法更有效。 本文還介紹了一種基于圖像分析以