毛細泵回路流動與換熱機理研究.pdf

1、毛細泵回路（CPLs）和環(huán)路熱管（LHPs）是一類兩相熱傳遞裝置，它利用蒸發(fā)器中毛細芯的毛細力驅動工質流動，具有傳輸距離遠，傳輸功率大，溫差小等特點。CPL和LHP被認為是未來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)器和整個系統(tǒng)的運行機理，優(yōu)化設計整個系統(tǒng)以及對實驗系統(tǒng)經(jīng)行地面實驗研究。研究的主要內(nèi)容包括： 1．毛細芯和蒸發(fā)器的數(shù)值模型研究 建立了毛細芯內(nèi)二維數(shù)值模型，該模型包

2、括耦合的熱力學和動力學模型。利用該模型可以方便得到毛細芯內(nèi)的溫度場，速度場，可以較精確地跟蹤汽液界面的位置。模型揭示了毛細芯的工作機理。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構蒸發(fā)器內(nèi)的流動與換熱過程，數(shù)值結果對CPLs和LHPs的設計起到了良好的指導作用。 2．系統(tǒng)數(shù)值模型研究 建立了描述LHP穩(wěn)態(tài)運行特性的數(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)熱力學和動力學特性的瞬態(tài)模型，并利用該模型結果分析了系統(tǒng)啟動容易失效、突然改變熱流密度會導致蒸發(fā)其供液不足（Depriming）等原因。模型還揭示了儲液罐溫度的波動對CPL系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性非常不利。 3．CPLs和LHPs用高性能毛細芯的研制 采用粉漿澆注法和冷壓法制備毛細芯型坯，氫氣還原氣氛燒結出了CPLs和LHPs用高性能毛細芯。實驗詳細研究了不同燒結參數(shù)，如坯密度、燒結溫度、燒結

4、時間等對毛細芯孔隙率、孔隙尺寸、機械強度、變形率等影響。毛細芯性能測試參數(shù)及電鏡照片（TEM）結果均表明：研制出的毛細芯性能優(yōu)越，孔隙率超過了68％，有效毛細孔徑約0.7μm，同時具有機械強度高，變形率小等特點。分析結果表明，該高性能毛細芯可以顯著地提升CPLs和LHPs的性能。 4．CPL和LHP系統(tǒng)的運行特性研究 針對當前航天器的熱控要求設計了三套小型化CPL系統(tǒng)和一套LHP系統(tǒng)，并進行了地面實驗研究，研究內(nèi)容包括：

5、系統(tǒng)啟動特性、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。實驗結果表明，當前設計的CPL和LHP系統(tǒng)具有高性能和高可靠性的特點；同時實驗結果也揭示了：CPL儲液罐溫度波動、蒸發(fā)器結構以及有效毛細抽力是影響系統(tǒng)性能最關鍵的幾個因素。實驗還重點研究了 CPL系統(tǒng)的反重力性能，結果表明，當前的小型化CPL系統(tǒng)在2.0米反重力高度可以傳輸超過150W的熱量。根據(jù)實驗現(xiàn)象分析了系統(tǒng)中溫度波動的起因以及充液率對系統(tǒng)性

6、能的影響。另外，數(shù)值模擬結果與實驗結果也進行了對比，進一步驗證了上述數(shù)值模型的正確性。 5．孔隙尺度研究毛細芯中熱量和質量的傳遞過程探索性地運用Lattice-Boltzmann（LB）方法，從孔隙尺度研究了多孔毛細芯內(nèi)熱量和工質傳遞過程。當前的研究結果表明，LB流動模型和熱模型的精度都較高，適合用于研究CPL和LHP毛細芯內(nèi)復雜的能量與質量傳遞過程，并行模型的運用使該數(shù)值計算方法更有效。 本文還介紹了一種基于圖像分析以