陶瓷芯平板式毛细泵设计及试验

为有效解决平板毛细泵蒸发器向补偿室的背向漏热问题,本文设计了一种在材料选择和内部结构构型上显著区别于传统平板毛细泵的新型平板毛细泵.材料选择方面,本文采用低热导的氮化硅陶瓷毛细芯,其导热系数仅为2.7 W/(m K),显著增大了蒸发器与补偿室的热阻;同时氮化硅毛细芯孔径和孔隙率为0.5μm和70%,也明显优于传统金属毛细芯,有利于提升环路热管毛细传热极限.结构构型上,平板毛细泵外轮廓尺寸为82.0 mm×53.0 mm×16.0 mm,内部并列布置了8根柱状氮化硅毛细芯,柱状毛细芯外壁与蒸发器壳体内壁过盈配合,很好地解决了蒸汽槽道与补偿室的相互密封问题.试验测试了平板毛细泵环路热管的启动特性和传热性能.(1)水平姿态下,环路热管在5.0～20.0 W的启动负载下均能快速启动,且蒸发器无明显的过热现象;倾斜姿态时,环路热管在5.0 W启动负载下启动时间显著增长、启动温升明显增大,但启动负载加大至20.0 W后,启动特性恢复至水平姿态.(2)环路热管的传热极限和热流密度极限超过400.0 W和26.3 W/cm~2,最小热阻值为0.018°C/W.     

氨工质脉动热管的可视化启动和传热性能研究

开展了以氨为工质的脉动热管的可视化启动和传热性能实验研究.实验所用6弯脉动热管由石英玻璃制成,玻璃管外径和内径分别为6和2 mm.通过可视化手段观测脉动热管的流型转换特征和启动特性,并重点研究了脉动热管在不同倾角下的温度波动趋势和热阻分布规律.结果显示,氨工质脉动热管在任意倾角下都能顺利实现启动.运行稳定后其整体热阻可以低到0.02℃/W,表明热量能够十分迅速地从热端传到冷端,并且热阻随着倾角的增大而减小.     

大功率LED冷却用回路热管传热性能分析

提出了一种用于大功率 LED（light emitting diode）散热的回路热管, 研究了热负荷、倾角、加热方式等对热管起动性、均温性、热阻等的影响. 研究结果表明： 热管的热阻在0.19 K/W-3.1 K/W 之间, 蒸发器的均温性被控制在 1.5℃以内, 在热负荷为 100 W 时, 蒸发器的温度被控制在 100℃以下.     

平板热管多孔毛细芯等效导热系数预测

本文以平板热管多孔结构毛细芯为研究对象,深入分析了毛细芯等效导热系数的影响因素及变化规律.针对多孔毛细芯微观结构随机分布且固相骨架相连的特点,采用扩散受限聚集模型对多孔毛细芯进行三维重构,对受限空间气体热导率进行计算,并采用有限容积法对模型在稳态导热条件下的传热性能进行了数值计算,研究了在孔隙率和颗粒直径对多孔毛细芯等...     

超晶格纳米线热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了超晶格纳米线的几何形变与热传导性能. 模拟结果显示, 由于界面晶格不匹配, 在超晶格纳米线内部发生了明显的几何形变. 对于周期长度固定的超晶格纳米线, 界面热阻在总热阻中的比例及导热系数不随周期数改变而改变. 随着周期长度的增大, 超晶格纳米线的几何形变量逐渐减小, 导致平均界面热阻逐渐增大, 表明界面热阻不仅取决于界面层的材料特性, 同时也与超晶格结构的几何形变量相关, 在声阻不匹配模型中应考虑纳米尺度下材料晶格结构的变化. 仿真结果还证实了尺度效应对低维结构热传导性能的影响, 即随着超晶格纳米线横截面面积的增大, 导热系数将增大.     

以[火积]耗散最小为目标的空腔几何构形优化

[火积]耗散极值原理给出了新的传热优化的理论依据和评判标准．针对导热固体中包含开口空腔的2种情形（内部产热和外受热），引入了基于熘耗散定义的无量纲当量热阻，并以之最小化为目标，对模型进行了构形优化．数值结果验证了本文方法的必要性和可行性．与以无量纲最大热阻最小化为目标的优化结果对比发现，不论哪种模型，当空腔占固体的体积百分比Ф值较小时，2种优化部结果无明显差别，但随着新口固体长宽比H／L值的增大，2种优化结果区别越大．固体外受热时的最优空腔，始终比内部产热时的最优空腔更细长．系统的传热性能受热量来源的影响较大，外部加热时的[火积]耗散比内部产热时的[火积]耗散增加了2～3倍，系统传热性能降低．本文方法对相关热设计问题具有一定指导意义．     

T形肋（火积）耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对T形肋片,分别以基于（火积）耗散的当量热阻最小化和最大热阻最小化为目标,采用二维传热模型和有限元数值计算方法进行了构形优化,分析了全局参数a（综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率）和肋片占比ф对当量热阻最小值和最大热阻最小值及其对应最优结构的影响,比较了两个目标下优化结果的异同.研究表明,两种优化目标下的最佳构形差异较大.以当量热阻最小为目标的优化比以最大热阻最小为目标的优化,能够显著降低肋片体内的传热平均温差.增大a和增大ф均可同时改善局部热点工作状况和整体平均传热性能.但是,增大a和增大ф对当量热阻最小和最大热阻最小两个目标的改善程度不一样;并且对任意一个目标,a和ф分别产生的影响也是不一样的.总体上,对应当量热阻最小值的T形肋比对应最大热阻最小值的T形肋要高得多;两种优化目标下,主干比分支的部分均要厚,但当量热阻最小化时两部分肋厚相对接近些;主干扁平、分支细长的T形肋有利于降低最大热阻.     

不同真空度下多层隔热组件传热性能的实验研究

针对月地高速再入返回飞行器在轨面临长期中真空环境的特殊挑战,热控设计需要评估不同真空度下多层隔热组件的传热性能差异.采用一维绝热型边界测试方法,对5单元、10单元、15单元与20单元多层隔热组件,在0.001~10000 Pa开展了传热性能的实验研究.根据测试数据,计算了不同真空度下的当量导热系数,在整器热分析模型中优选当量导热系数来计算整器温度水平,并利用正样热平衡试验和在轨温度遥测值验证了该方法的正确性.本文的测试结果不仅可为返回器提供基础数据,还可成为多层隔热组件不同真空条件下航天器热设计、热分析的重要依据.     

地热单井连续和间歇供暖性能

目前国内的地热单井供暖(SWGH)工程实践遇到了单井换热量小和投资回收期长的问题.再加上SWGH的运行数据在公开场合没有报道,导致很多企业家不了解其性能,限制了SWGH的快速推广.本文建立了SWGH取热和热恢复过程的数学模型,分析了间歇和连续运行工况下取热温度和功率的变化以及岩石温度场的衰减和恢复.研究结果表明:连续供暖整个供暖季平均出口温度和取热功率分别为18.16℃和635.68 kW.出口温度和取热功率在前两周剧烈减小,两周后逐渐趋于稳定.由于岩石导热系数小、热阻大,连续取热导致岩石温度降低,越靠近井壁,岩石温降越大.非供暖季的热恢复是保障地热单井连续出力的有效手段.由于有热恢复时间,间歇供暖能部分克服岩石导热系数小的难题,大幅提高单井取热功率.间歇供暖的平均取热功率为920.21 kW,比连续供暖提高44.76%.由于总取热量小于连续供暖,间歇供暖工况下岩石温度场的衰减及恢复均好于连续供暖. 3000 m的地热井,连续和间歇运行工况下的静态投资回收期分别为6.18和4.37年.因此,采用间歇供暖模式,将会促进SWGH的快速推广,可为我国北方雾霾的解决做出巨大的贡献.     

Ω型轴向槽道热管传热性能的实验研究

论文针对现有热管实验手段的不足,自行搭建了集加热系统、冷却系统、角度调节系统和温度测量系统于一体的Ω型轴向槽道热管传热性能实验台,考察了加热功率、工作倾角、冷却条件等因素对热管工作特性的影响。结果表明：实验所用热管水平放置时最大传热量较小,若改善冷却条件可提高热管的传热能力;当热管放置为重力辅助作用时,热管传热能力显著改善,反向放置时,热管无法正常工作。研究结果对于热管在飞行器中的应用研究具有参考价值。     

月地高速再入返回器热控设计及实现

针对月地高速再入返回器不同阶段大功率散热、小功率保温与高速返回过程中高温隔热之间的突出矛盾,以及狭小、局促空间内设备热量的收集、传输、排散与阻断等技术难题,首次构建一种基于柔性自适应"热开关"的小型再入返回类航天器热控体系,成功研制出一套基于异构式环路热管的一体化柔性、高效热管理系统.在轨飞行数据表明:核心热控产品环路热管控温运行模式下实际传热能力超过65 W,阻断模式下漏热量小于2 W,"热导比"大于30,能够很好地实现"热开关"功能,确保了返回器所有设备的温度水平优于指标要求.     

基于（火积）耗散率最小的伞形柱状肋片构形优化

采用解析解法,以无量纲平均热阻作性能指标,对柱状一级组合的伞形肋片进行构形优化,得到了伞形肋片的最优构形.结果表明：单元级柱状肋数量越大,肋片的导热性能越差;在某些设计参数下,优化后的伞形肋片退化为柱状肋;优化后的伞形肋片的直径受设计参数的影响很小.基于耗散率定义的平均热阻反映了整个伞形肋片在传热过程中的导热性能.工程上对肋片进行热优化设计时,在极限安全温度下应尽量选择对应耗散率（平均热阻）最小的构形设计.     

体材料热整流模型中的界面热阻效应

基于傅里叶导热定律,两种具有不同热导率温度依赖特性的材料组合而成的复合材料可以实现热整流.但是,此前的研究者大多忽略了复合材料界面处的接触热阻.本文在此热整流模型中引入界面热阻,并分析其对热整流效率的影响.计算结果表明,在一定条件下,较小的界面热阻有利于提高热整流效率;但是界面热阻较大时,其阻碍热流的特点起主导作用,会降低热整流效率.     

微型旋转摆式发动机性能影响因素分析

针对一种新型差速式、无停顿旋转摆式发动机开展研究,建立MATLAB环境下较为完善的热力学仿真模型,计算结果表明:缩短燃烧持续时间有利于提升发动机性能;泄漏和传热是影响发动机性能的两个主要因素,低频运行时泄漏影响较大,高频运行时传热因素更敏感;发动机效率及功率随间隙尺寸增大而降低,当泄漏间隙一定、频率增大时,效率及功率随之会先增加后减小.考虑泄漏、传热影响后,若泄漏间隙控制在20μm,工作频率50 Hz时发动机达到最大热效率为17.36%,工作频率100 Hz时发动机达到最大功率为2121.2 W.较之微小尺寸级的百瓦级微型热机,微型旋转摆式发动机性能优势明显.     

以最大热阻最小化为目标的二级组合Y形肋构形优化

本文采用有限元数值方法,以无量纲最大热阻作性能指标,研究了6自由度（几何特征参数）二级组合Y形肋的构形优化,分析了不同自由度条件下二级组合Y形肋的传热性能.结果表明,二级组合能显著提高Y形肋的传热性能,其最小最大热阻比一级组合Y形肋的最小最大热阻降低了36.37%.这也再次证明了,事物进化的自由度越大,其性能越优.二级组合Y形肋各几何特征参数对其性能的影响是不一样的,在实际工程设计中应该给予不同的关注.其中2个角度对最大热阻的影响比较大,但角度的最优值都比较稳定;2个长度比对最大热阻的影响比2个厚度的影响大得多.     

固-液相变强化传热物理机制及影响因素分析

固-液相变过程具有等温或近似等温、相变潜热较大和相变前后材料体积变化较小的特点. 相变材料与热(冷)表面接触, 发生融化(凝固), 可明显强化表面换热. 以一维相变平板在第一类边界条件下的导热为例, 从有内热源的稳态导热与固-液相变传热的相似性出发, 揭示了固-液相变强化传热的物理机制, 提出了分别以稳态和瞬态传热速率为参照的相变传热表面换热强化度的概念, 并推导出相应解析表达式, 讨论了相变过程中影响强化换热的因素及其影响效果.     

高温条件下的固-固界面接触热阻测试方法与系统

高温条件下的固-固界面接触热阻是航空航天、能源、热核反应等领域中热控制和热防护系统设计的关键参数之一.针对高温条件下界面接触热阻测量系统设计与研制中存在的高温界面温差的高精度测量、热流量和压力的精确加载与计量、高温测试本体的绝热防护等技术问题,本文提出了一种上下对称布置稳态双向加载热流的高温条件下界面接触热阻测试方法,分析阐明了影响高温条件下接触热阻测量数据准确性的主要因素,建立了高温接触界面温差的红外热像测试与分析方法,攻克了钨热流计和接触界面处压力的精确加载与计量技术,设计了功率、温度全闭环精确控制的盘式钨丝高温加热器和高温测试本体的真空多层隔热结构,研制了高温条件下界面接触热阻的测试系统,实验测试了高温合金、C/C材料等材料对之间的接触热阻.结果表明,本文建立的高温条件下界面接触热阻测试方法和系统,实现了界面温度达1200℃的高温条件下接触热阻的高精度测量,测试误差小于10%.     

Science China Technological Sciences 2021年64卷第5期中文摘要

正基于热管的电动汽车动力电池热管理面临的挑战和研究进展黄尧,汤勇,袁伟,方国云,杨阳,张晓清,吴耀鹏,袁宇航,王淳,李锦广近年来,电动汽车(EV)在全球范围内发展迅速,具有巨大的取代基于化石燃料的传统汽车的潜力.功率型锂离子电池(LIB)由于其高功率密度、良好的充电/放电稳定性和长循环寿命已被广泛应用于电动汽车中.电动汽车的续航里程和加速性能越来越受到消费者的关注,而这很大程度上取决于电池的功率水平.随着输出功率的不断提高,动力电池的高发热量会严重影响其使用性能和安全性.     

层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及基于分析解的热设计优化

大型锂离子动力电池的热相关问题是限制其在电动汽车上大规模应用的主要问题之一.单体电池的热模型是进行电池热设计、改善电池热特性的重要工具.根据热模型的求解方法,可分为数值解和分析解两类.在现有文献的研究中,数值解占据了主要地位.但是,分析解因具有计算量小、可实现设计变量的全局优化等优点,在电池热设计和电池组热管理系统中可发挥重要作用.例如,在电池热设计中,分析解可全面考察多个设计参数连续变化下对电池热特性的影响,以进行多设计参数下的全局优化.本文首先对一款大型层叠式锂离子电池进行了数值热模拟和实验验证,数值热模拟的结果与多枚热电偶的实验测量结果吻合良好;然后,基于数值热模拟的结果提取了层叠式电池温度分布和产热率分布的主要特点,进而假设温度呈展向平面分布、产热率均匀分布;针对简化后的电池热问题,利用双重积分变换方法提出了分析解;最后,使用分析解开展了电池的热设计优化工作,讨论了不同电芯尺寸和极耳布置方案下的电池热特性.     

铜-水纳米流体流动与对流换热特性

建立了测量纳米流体流动与传热性能的实验系统, 测量了不同粒子体积份额的Cu-水纳米流体在层流与湍流状态下的管内对流换热系数和摩擦阻力系数, 详细讨论了Reynolds数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响. 实验结果显示, 在液体中添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数, 而纳米流体的阻力系数并未增大. 例如, 在水中添加2.0%体积份额的Cu纳米粒子, 相同Reynolds数条件下, 纳米流体的对流换热系数比水增大了约60%. 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素, 提出了计算纳米流体对流换热系数的关联式, 通过比较关联式的计算结果与实验数据, 表明关联式正确地描述了纳米流体对流换热过程, 可以用来计算纳米流体的对流换热系数.