Study on the Heat Transfer Characteristics and Instability of Cryogenic Loop Heat Pipes in Different Gravity Field

Abstract

深冷环路热管作为深低温区高效两相热传输系统，在地面和空间诸多工程实践中有着重要的应用。深冷环路热管传热能力及系统稳定性问题直接决定着热控系统热传输能力和运控性能。本文针对空间应用多重力场环境中深冷环路热管内部流动传热机理及系统失稳机制开展深入研究，以深冷环路热管系统级瞬态数值仿真和部件级冷凝传热数值模拟为主要研究手段，结合地面常重力实验和空间微重力飞行实验，深入分析深冷环路热管温度波动的规律、发生机制与条件，在此基础上提出相应的失稳抑制措施，为空间用深冷环路热管系统设计与在轨运控提供指导。 首先，从工程应用角度开展了气液两相热传输系统重力无关性表征与设计方法研究，确认了基于主导作用力机制的重力无关性准则可正确描述气液两相流重力无关条件，提出了针对气液&nbsp;两相热传输管路及系统的重力无关性设计方法，将刻画重力无关临界条件的Bo数和Fr数准则转化为系统临界特征尺寸参数的计算与设计。此外，搜集和整理了不同重力条件下的气液两相流动摩擦压降的实验数据以及预测模型，评估了相应预测模型的预测精度及其对重力效应的表征能力；利用不同重力两相摩擦压降实验数据，在双流体同心环状流两相摩擦压降解析解基础上，采用遗传算法优化构建了一个显式计入重力效应的气液两相摩擦压降新模型，以满足空间应用系统设计中无法完全满足重力无关要求的情形对重力效应正确表征和高精度摩擦阻力预测的要求。 其次，基于深低温两相系统内部流动、传热及热力状态变化机理和深低温、微重力对两相系统热稳定性的影响机理分析，采用节点-网络法构建了深冷环路热管系统级瞬态仿真模型。与集中冷源式氖工质深冷环路热管地面超临界启动与运行实验数据以及SJ-20卫星搭载双冷板氖工质深冷环路热管地面和空间实验数据的详细比较发现，数值仿真结果与实验数据在时域和频域均具有优良的一致性，验证了模型对深冷环路热管超临界启动、稳态运行、瞬态变化以及微重力环境影响等方面均具有优良的预测能力。 第三，利用验证后的深冷环路热管系统级瞬态仿真模型，开展了典型参数影响下深冷环路热管运行性能的瞬态响应特性、扰动适应性的仿真分析，考察了热沉温度、充装压力、热负荷、寄生漏热等参数对系统超临界启动和运行性能的影响，从超临界启动成功的角度发现了最优充装压力的存在。 第四，从系统级和部件级数值仿真两方面，研究了重力对深冷环路热管运行性能的影响，揭示了重力影响下深冷环路热管系统表现出热管、热虹吸管和毛细蒸干（失效）等三种不同状态，揭示了三种状态发生机理并确定了相互间的分区边界；数值仿真了深低温工质管内冷凝流动与传热中的重力效应，分析了不同管径、质量通量及重力水平对氖工质冷凝流动过程中气液分布形态及传热特性的影响，揭示了深低温工质冷凝传热过程在不同重力条件下传热强化、传热恶化和重力无关三种状态的形成机理。 最后，通过深冷环路热管不稳定性实验数据和仿真结果分析，揭示了影响具有辅助回路的深冷环路热管系统稳定性的关键因素、影响模式及失稳机制，发现了深冷环路热管运行中的稳定运行、振荡衰减、振荡放大和周期振荡等四种运行状态特征；仿真分析了不同运行工况及系统结构参数对深冷环路热管系统温度振荡现象的影响，结合实验和仿真分析结果，提出了深冷环路热管失稳抑制方法。</p