小型平板毛細(xì)相變流體回路的運(yùn)行機(jī)制研究.pdf

1、熱毛細(xì)泵相變回路包括毛細(xì)泵抽吸兩相環(huán)路（CPL）以及環(huán)路熱管(LHP)，由于采用工質(zhì)相變傳輸熱量，具有傳熱能力強(qiáng)，熱阻低、等溫性好、效率高、無運(yùn)動部件以及傳輸距離長等優(yōu)點(diǎn)，從而使其成為了航天器熱控以及電子器件高熱流密度散熱的有效方式。
　　 快速、簡單、可靠的啟動性能是一個先進(jìn)的CPL/LHP系統(tǒng)所具備的基本特性，但是國內(nèi)外的研究表明，CPL/LHP系統(tǒng)在啟動過程中存在啟動困難的問題，特別是在CPL/LHP小型化以后，側(cè)壁導(dǎo)熱對

2、CPL/LHP的啟動性能有明顯的影響。本文通過搭建小型平板式LHP的實驗平臺，并在不同的熱流密度下進(jìn)行LHP的啟動性能研究。實驗結(jié)果表明，在常規(guī)條件下熱流密度為1W/cm2時系統(tǒng)不能正常啟動，而在蒸發(fā)器底部加上冰水混合物后，LHP系統(tǒng)能順利啟動。分析指出，側(cè)壁導(dǎo)熱和背向?qū)釋ζ桨迨紺PL/LHP的啟動有較大的影響，因此，必須對平板式CPL/LHP的蒸發(fā)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文建立了蒸發(fā)器毛細(xì)多孔芯、金屬壁面、蒸汽槽道以及液體槽道內(nèi)傳熱傳質(zhì)的

3、整場數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用SIMPLE程序?qū)π⌒推桨逭舭l(fā)器進(jìn)行了整場耦合求解。數(shù)值結(jié)果表明，由于CPL系統(tǒng)的特殊平板結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的側(cè)壁導(dǎo)熱效應(yīng)使得熱流從金屬側(cè)壁及下壁反向加熱液體補(bǔ)償腔以及多孔芯內(nèi)的液體，導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，從而影響系統(tǒng)的正常啟動和工作性能，因此，側(cè)壁導(dǎo)熱效應(yīng)在平板型蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計中必要予以重視。減小液體補(bǔ)償腔的高度，減小側(cè)壁以及下壁的厚度以及增加毛細(xì)芯的高度可以提高CPL的傳熱能力。
　　 在實際的應(yīng)用過程中，CPL/L

4、HP有較大的溫度波動，而目前國內(nèi)外學(xué)者對CPL/LHP溫度波動的研究僅僅集中在實驗分析上面，理論的研究很少見到報道。本文首先從毛細(xì)相變界面的質(zhì)量、動量和能量守恒方程，提出了相變界面的穩(wěn)定性判據(jù)，然后建立了毛細(xì)液柱的Lucas-Washburn方程，第一次指出了毛細(xì)芯高度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。研究表明，在高熱流密度的情況下，毛細(xì)芯高度對系統(tǒng)的提升力的影響不能再忽略，系統(tǒng)工質(zhì)的選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該綜合考慮相變潛熱、毛細(xì)張力系數(shù)以及液體密度的影響。系統(tǒng)

5、溫度波動的源頭是汽液冷凝界面，而蒸汽壓力的波動導(dǎo)致冷凝器內(nèi)液柱的共振，是系統(tǒng)有較大溫度波動的根本原因。由于液體的不可壓縮性，越靠近冷凝界面，液體的溫度波動幅度越大，蒸發(fā)器的溫度波動較小是因為其有較大的固有頻率，同時由于毛細(xì)芯的孔徑尺寸遠(yuǎn)小于壓力波動的波長，使得壓力波的被反射回去的結(jié)果。因此，系統(tǒng)應(yīng)在一定的工作熱流范圍內(nèi)運(yùn)行，使蒸汽波動的頻率遠(yuǎn)離冷凝器液柱的固有頻率，以免導(dǎo)致共振。
　　 針對CPL系統(tǒng)在運(yùn)行中可能存在供液不足的問

6、題，本文在系統(tǒng)中加入微泵引射輔助回路，將微泵和引射器應(yīng)用于CPL系統(tǒng)，微泵引射回路與儲液器共同起作用，在運(yùn)行條件惡劣時做出響應(yīng)，輔助主回路循環(huán)，以提高系統(tǒng)的控溫能力及運(yùn)行穩(wěn)定性。數(shù)值計算顯示，在引射流體時，引射器內(nèi)會出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致氣泡進(jìn)入蒸發(fā)器，可能會引起系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至燒干，因此，在引進(jìn)新的引射回路的同時必須在引射器出口和蒸發(fā)器入口段之間加入過冷器，使得引射器出口中的氣相冷凝成液體進(jìn)入蒸發(fā)器，保證蒸發(fā)器的正常工作。
　　

7、 在CPL/LHP的一些實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)壓降大于毛細(xì)芯提供的毛細(xì)壓頭，，針對這種傳統(tǒng)驅(qū)動方式不能解釋的現(xiàn)象，劉偉等提出了毛細(xì)芯熱管的驅(qū)動模型，并將其推廣到毛細(xì)泵流體回路（CPL）和環(huán)路熱管（LHP）系統(tǒng)。文中以甲醇作為工質(zhì)的算例表明，小型CPL回路蒸汽的流動阻力大于液體的流動阻力，尤其在高熱流密度下，蒸汽側(cè)的流動阻力占主導(dǎo)地位，需要較大的相變驅(qū)動壓頭來驅(qū)使蒸汽流動。文中還建立了工質(zhì)流動阻力與界面熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系式，據(jù)此，可計算