軸向槽道熱管傳熱機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、我國現(xiàn)在正面臨著環(huán)境污染和能源供應(yīng)緊張等多重壓力，實(shí)施節(jié)能減排迫在眉睫。熱管作為一種高效的傳熱元件，具有優(yōu)越的傳熱特性，一直是航天器熱控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，在工程中的應(yīng)用也日益普及，不僅在余熱回收、節(jié)能方面取得了顯著效果，而且在新能源開發(fā)、動(dòng)力、化學(xué)、紡織、生產(chǎn)及生活等各個(gè)領(lǐng)域也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
　　 山東大學(xué)所參與的國際合作項(xiàng)目阿爾法磁譜儀（AMS-02）是第一個(gè)被送入太空并將進(jìn)行長期物理實(shí)驗(yàn)的大型磁譜儀，未來20年里將對(duì)

2、宇宙中基本高能粒子進(jìn)行精確的長時(shí)間的測量，探索暗物質(zhì)和反物質(zhì)的存在。山東大學(xué)設(shè)計(jì)的新型“Ω”形槽道熱管成功地應(yīng)用AMS熱控系統(tǒng)中，在AMS實(shí)際運(yùn)行過程中，該熱管表現(xiàn)良好，使該熱控系統(tǒng)成為AMS-02所有子系統(tǒng)中性能最穩(wěn)定的一個(gè)。為了進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和傳熱性能，有必要對(duì)其進(jìn)行理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，掌握其傳熱特性和解釋內(nèi)部傳熱機(jī)理。本文采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)其傳熱機(jī)理進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 首先，本文使用UDF功能

3、建立了熱管計(jì)算模型，考慮了工質(zhì)物性變化的影響，對(duì)熱管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝現(xiàn)象進(jìn)行模擬。發(fā)現(xiàn)熱管冷凝段內(nèi)發(fā)生的相變過程為膜狀冷凝;蒸發(fā)段液池內(nèi)的相變過程為沸騰換熱;熱管在高熱流密度下運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)為液膜攜帶氣泡流動(dòng)的流動(dòng)型態(tài)，以氣液混合物的形式一起參與熱量傳遞的循環(huán)。模擬計(jì)算得到的溫度分布和熱阻的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值相符。熱管熱阻變化曲線隨著加熱功率的增加呈下降趨勢，且越來越平緩。在本文計(jì)算范圍內(nèi)，熱管的最大傳熱能力隨著工作溫度的升高不斷增大。

4、　　 本文開發(fā)了一系列制作工藝，建立了“Ω”形槽道熱管的加工制作工藝流程。在開發(fā)和完善了清洗流程的同時(shí)，引進(jìn)超聲波技術(shù)強(qiáng)化槽道表面的清洗效果，解決了微細(xì)槽道清洗困難的問題。設(shè)計(jì)了一套以液氨為計(jì)量對(duì)象的灌裝系統(tǒng)，解決了氨極易氣化，在常態(tài)下是氣液兩相共存所造成的不能精確計(jì)量的難題，使用高精度的流量計(jì)確保熱管灌裝最終的計(jì)量精度可達(dá)±0.01g。開發(fā)了熱管封裝技術(shù)，提高了封裝質(zhì)量。實(shí)踐證明，本文建立的熱管加工制作工藝能率大大提升熱管制作的成功

5、率，熱管性能良好。
　　 本文進(jìn)一步對(duì)軸向槽道熱管傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)臺(tái)冷卻系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油作為冷卻介質(zhì)，選用的恒溫水浴能夠提供的冷源溫度最低可達(dá)-55℃，能夠測試熱管在低工作溫度下的傳熱特性，實(shí)驗(yàn)中測試的熱管最低工作溫度為-4℃。應(yīng)用在AMS熱控系統(tǒng)中的熱管設(shè)計(jì)工作溫度范圍為-20～50℃，多數(shù)電子設(shè)備的常態(tài)工作溫度保持在0℃附近。而常規(guī)熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)只能對(duì)熱管進(jìn)行工作溫度高于常溫時(shí)的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，不能全面反映熱管在整個(gè)設(shè)

6、計(jì)工作溫度范圍內(nèi)的換熱特性。因此，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠測試的工作溫度涵蓋了該熱管設(shè)計(jì)工作溫度區(qū)間的大部分區(qū)域。
　　 對(duì)熱管的熱負(fù)荷響應(yīng)特性進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，熱管啟動(dòng)和關(guān)閉性能良好，在大加熱功率、小充液率和熱管長度時(shí)熱管熱負(fù)荷響應(yīng)快。分析了熱管的穩(wěn)態(tài)溫度分布特性，討論了熱管的軸向溫度分布受熱管工作溫度、加熱功率，熱管傾角及充液率等影響的變化規(guī)律，結(jié)果表明:熱管絕熱段溫度非常均勻，熱管的溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別出現(xiàn)在蒸發(fā)段和冷凝

7、段與絕熱段過渡的部位;加熱功率和充液率對(duì)熱管軸向溫差的影響較明顯。對(duì)熱管的逆重力工作的能力進(jìn)行了測試，結(jié)果表明本研究制作的熱管具有一定的逆重力工作能力。
　　 本文對(duì)熱管蒸發(fā)和冷凝換熱系數(shù)、總熱阻及當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了分析，分別討論了工作溫度、加熱功率、熱管傾角以及充液率等對(duì)上述參數(shù)的影響，結(jié)果表明:隨著加熱功率的增加和工作溫度的升高，熱管的傳熱效果均得到了提升;熱管傾角的變化對(duì)蒸發(fā)和冷凝兩端的影響規(guī)律不同，以對(duì)熱管總熱阻

8、和當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響來衡量，存在著一個(gè)最佳熱管傾角為60°;充液率對(duì)蒸發(fā)段換熱效果的影響程度大于對(duì)冷凝段的影響，對(duì)熱管整體換熱效果而言，熱管的最佳充液率為120％。討論了熱管長度變化對(duì)熱管熱阻和當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果表明熱管蒸發(fā)段和冷凝段的長度對(duì)熱管的整體傳熱性能起決定性作用。在限定了軸向溫差的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)加熱功率和冷源溫度，得到了不同工作溫度下熱管的最大傳熱能力，工作溫度為20℃時(shí)熱管傳熱能力達(dá)到最大?？傮w來看，本研究制作的熱管熱負(fù)

9、荷響應(yīng)快、熱阻小，具有良好的等溫性。
　　 最后，在對(duì)“Ω”形軸向槽道熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立了“Ω”形軸向槽道熱管的三維數(shù)值模型，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，討論了熱管傳熱性能隨著熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)槽道窄縫寬度、槽道直徑、蒸汽腔直徑以及槽道數(shù)目等的變化規(guī)律。熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在著相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系，各參數(shù)對(duì)熱管傳熱性能的影響程度也不相同。分析得到了各參數(shù)對(duì)熱管傳熱性能影響程度，由大到小的順序?yàn)椴鄣乐睆?、槽道?shù)目、窄縫寬度和蒸汽腔直