液滴輻射器輻射與蒸發(fā)特性的數(shù)值研究.pdf

1、隨著航天器向大型化方向發(fā)展，其功耗和產(chǎn)生的廢熱迅速增多，目前采用的熱控技術(shù)可能將無法滿足散熱要求，因此需要發(fā)展低質(zhì)高效的廢熱排放系統(tǒng)。液滴輻射器（Liquid Droplet Radiator-LDR）是一個非常有前景的新型廢熱排放系統(tǒng)方案。
　　 LDR系統(tǒng)主要由液滴發(fā)生器、液滴收集器、循環(huán)泵、換熱器及流體管道組成。工作流體首先在換熱器中被航天器的廢熱加熱，然后在液滴發(fā)生器中形成數(shù)以億計的小液滴噴射而出，在行進(jìn)過程中向空間輻射

2、熱量，然后被收集器捕獲，再由循環(huán)泵送回到換熱器中，如此循環(huán)。
　　 液滴發(fā)生器與收集器間的液滴層是LDR系統(tǒng)中的有效輻射部分，其輻射性能決定了LDR系統(tǒng)的排熱性能，蒸發(fā)特性則對LDR系統(tǒng)的運(yùn)行壽命有著關(guān)鍵影響。
　　 在對液滴層輻射與蒸發(fā)特性的研究中，首先討論的是非常稀疏的液滴層，對液滴間距與直徑之比大于10的稀疏液滴層，可將其作為孤立液滴群處理。建立了單個液滴輻射與蒸發(fā)過程的數(shù)值模型，討論了液滴初始溫度和半徑對終溫與蒸

3、發(fā)比重（液滴蒸發(fā)質(zhì)量與初始質(zhì)量之比）的影響，繼而導(dǎo)出對單位質(zhì)量液滴輻射能量與系統(tǒng)運(yùn)行壽命的影響。結(jié)果表明，液滴初始溫度越高，初始半徑越小時，單位質(zhì)量液滴輻射能量越大而系統(tǒng)運(yùn)行壽命越短；對于特定的液滴層質(zhì)量，在某一給定的運(yùn)行壽命條件下，隨著液滴初始半徑的減小，可取的初始溫度范圍降低，系統(tǒng)取較小半徑及相應(yīng)的最高初始溫度時，輻射的能量較大。
　　 其次考慮光學(xué)厚度小于1的液滴層，構(gòu)建了液滴層輻射傳熱與蒸發(fā)聯(lián)合模型，討論了液滴層初始溫度

4、和光學(xué)厚度對溫度分布、蒸發(fā)損失速率及系統(tǒng)壽命的影響。在液滴直徑一定的情況下，數(shù)值結(jié)果表明：蒸發(fā)損失速率隨初始溫度和光學(xué)厚度的增大而增大，其主要貢獻(xiàn)源自距離液滴發(fā)生器較近的高溫液滴層，在較短液滴層長度內(nèi)蒸發(fā)損失速率迅速上升，到達(dá)一定長度后，蒸發(fā)損失速率趨于一穩(wěn)定值；額外加載10％液滴層質(zhì)量工質(zhì)時，液滴層初始溫度對系統(tǒng)壽命影響較大，初始溫度由 降至，系統(tǒng)壽命增至4倍多，增幅基本不隨液滴層長度而變化；而光學(xué)厚度對系統(tǒng)壽命影響較小，隨光學(xué)厚度的

5、增大，系統(tǒng)壽命略有增長，且隨著液滴層長度增加，光學(xué)厚度影響減小，不同光學(xué)厚度的系統(tǒng)壽命逐漸趨于一致。
　　 然后對具有任意光學(xué)厚度的液滴層進(jìn)行了討論，得到了光學(xué)厚度對液滴層溫度分布、平均溫度、蒸發(fā)損失速率及系統(tǒng)壽命的影響。在液滴直徑一定和額外加載10％液滴層質(zhì)量工質(zhì)的情況下，數(shù)值結(jié)果表明：隨光學(xué)厚度增加，液滴層溫度升高，中心與邊界的溫度差增大，當(dāng)光學(xué)厚度大于8時，收集器處厚度方向溫度分布曲線逐漸趨于一致。平均溫度的數(shù)值計算結(jié)果與

6、光學(xué)薄極限條件下理論公式得出的結(jié)果相當(dāng)接近，因此在可接受的誤差范圍內(nèi)，液滴層平均溫度可由光學(xué)薄極限條件下理論公式給出。在光學(xué)厚度較小時()，蒸發(fā)損失速率隨光學(xué)厚度近似以正比關(guān)系迅速增長，光學(xué)厚度較大()時，蒸發(fā)損失速率隨光學(xué)厚度略有增加。與之相反，系統(tǒng)壽命在光學(xué)厚度較小時，增長緩慢，光學(xué)厚度較大時，增長較快。
　　 最后，在考慮非灰體及變物性參數(shù)情況下，對液滴層的輻射換熱進(jìn)行了進(jìn)一步研究。討論了液滴直徑、層數(shù)和噴射頻率對液滴層溫