新型涡轮-泵驱动式回路热管设计及热力学分析

针对热管在逆重力条件下工作时冷凝液回流驱动力不足的问题,提出了一种全新的涡轮-泵驱动回路热管系统.该系统利用蒸汽驱动涡轮和与之连在一起的机械泵,机械泵直接驱动冷凝液返回到蒸发器而实现系统循环,其传热能力由蒸发段的沸腾极限确定,极限热流密度可达到70~80W.cm-2以上,大大超过了毛细泵回路热管由毛细力所确定的传热能力.热力学分析表明,蒸发段和冷凝段的温差达到10℃以上,涡轮-泵装置即可为冷凝液提供足够的回流驱动力.对于高热流密度耗能设备的热传输问题,该回路热管系统是一种很好的解决方式.     

无重力条件下毛细相变流体回路的稳定性研究

利用Lucas-Washburn方程对毛细管液柱内液体的受力情况进行分析，获得了无重力条件下相变毛细管中流体上升高度与毛细管半径以及热流密度的关系式，并用此关系式分析了相变流体回路中回路压降与毛细芯界面高度位置的关系，同时，利用小扰动理论对影响界面高度的参数进行了分析研究，指出毛细相变回路广泛用于航天电子器件散热的原因是其一般在过阻尼状态下工作，具有极强的抗扰动能力．当工作热流一定时，为了提高系统的稳定性能，应采用毛细半径较小的毛细芯．文中导出的毛细提升系数和影响界面高稳定性的因素，对毛细泵流体回路（CPL）、回路热管（LHP）和毛细芯热管（CHP）系统的设计和工作流体的选择提供了一定的理论依据．     

相变流体回路中毛细芯内液体气化界面的稳定性分析

通过分析液体气化界面位移与界面压力变化的物理机制,获得了相变流体回路中毛细芯内的界面位移及曲率变化与压力变化的关系式,导出了气液界面的稳定性判据．根据这一判据,并由所建立的丝网型毛细芯中界面位移的物理模型,得出了毛细芯内液体气化界面的稳定性曲线．文中的界面模型和稳定性判据,对分析和揭示毛细泵流体回路（CPL）、回路热管（LHP）和毛细芯热管（CHP）中毛细蒸发界面的位移机制和动力学稳定性,对预测毛细芯内液体的干涸以及系统运行的失稳乃至崩溃等,都具有一定意义．     

相变流体回路中毛细芯内液体气化界面的稳定性分析

通过分析液体气化界面位移与界面压力变化的物理机制,获得了相变流体回路中毛细芯内的界面位移及曲率变化与压力变化的关系式,导出了气液界面的稳定性判据.根据这一判据,并由所建立的丝网型毛细芯中界面位移的物理模型,得出了毛细芯内液体气化界面的稳定性曲线.文中的界面模型和稳定性判据,对分析和揭示毛细泵流体回路(CPL)、回路热管(LHP)和毛细芯热管(CHP)中毛细蒸发界面的位移机制和动力学稳定性,对预测毛细芯内液体的干涸以及系统运行的失稳乃至崩溃等,都具有一定意义.     

热虹吸管相变传热行为CFD模拟

基于VOF模型和改进的相变模型对热虹吸管稳态相变传热过程进行CFD模拟,根据温度分布实验数据和可视化实验进行验证,并分析充液率对热管蒸发-冷凝传热行为的影响。研究结果表明:CFD模型能够较准确地描述热管工质的蒸发和冷凝过程,模拟得到热管各段均温的最大偏差为10.2 K,相对误差2.9%,采用改进的相变模型,温度分布模拟值与实验值一致性更好;模拟得到蒸发段工质流型转变过程与可视化实验定性相符;热管冷凝段以膜状冷凝传热为主,充液率的改变对其影响不大,充液率主要影响蒸发段的传热行为,进而影响热管的传热性能。该工作有助于对热管运行机理的理解,并为其CFD模拟提供指导。     

蒸发毛细弯液面热质传输特征及其稳定性分析

在基于增广杨拉普拉斯方程及Wayner界面传质方程的蒸发毛细弯液面薄膜区热质传输模型的基础上,利用数值计算分析方法,讨论了系统运行参数、几何参数、工质物性参数对界面热质传输能力和稳定性的影响.结果表明:高过热度和高弯液面温度下,弯液面具有较强的热传输能力,但稳定性下降;毛细通道几何参数对界面热质传输的影响较小,而选择不同的工质其界面热质传输特征会有较大差异.相对而言,高热质传输能力对应了较低的界面稳定性,故在毛细抽吸两相回路的设计中需综合考虑二者的关系.     

同心套管结构内热式重力热管的传热性能试验

搭建了同心套管结构内热式重力热管的试验装置.测试了自然冷却条件下同心套管结构内热式重力热管的启动性能和传热性能,研究了热管蒸发段的管内蒸发传热系数和冷凝段的管内冷凝传热系数随传热量的变化规律.结果表明,在热管外管保温条件下,热管具有较好的启动性能;在热管外管未保温条件下,热管具有较好的整体均温性;在相同的蒸发段加热热流密度时,外管未保温条件下的管内蒸发换热系数要比外管保温条件下的大;外管保温条件下的管内冷凝换热系数要比外管未保温条件下的大.     

大功率T/R组件相变温控平板热管的散热特性实验研究

为保证大功率相控阵天线T/R组件的长时间稳定工作，提出了一种相变储能平板热管的热控设计方案，该系统中的相变材料和平板热管分别发挥储热和热扩散的作用。实验对比了铝制平板热管和铝合金板的热扩散性能，以及它们分别和相变材料结合后的热控性能。实验结果表明，铝制平板热管的传热性能优于铝合金，在40 W时其冷凝端的最大温差为3.2℃,且等效热阻可维持在0.35 K/W以下；当热源置于侧边时，相比置于中间位置时的蒸汽扩散和液体回流路径较长，平板热管的热扩散性能下降；同时，与使用铝合金作为储热容器底部基板时的局部过热现象相比，采用相变储能平板热管的热控设计，可以将热源的热量进行均匀扩散，降低热流密度，从而表现出更好的温度均匀性，再通过相变储能的方式吸收热量，可以保证天线产品持续工作90 min时的结点温度控制在70℃。对于高纵横比的槽道式平板热管，需要进一步改良槽道的毛细结构，降低蒸汽扩散和液体回流路径的差异对热扩散性能的影响。     

燕尾形轴向槽道热管的蒸发冷凝传热特性

建立了燕尾形轴向槽道热管蒸发和冷凝薄液膜传热特性理论模型,并对模型进行了数值求解.对蒸发薄液膜区液膜厚度、接触面温度和热流密度分布进行了分析,给出了汽液接触面蒸发/冷凝传热系数沿轴向的变化.研究表明:在蒸发薄液膜区域,薄液膜厚度沿槽壁方向呈线性增加;汽液接触面的温度在起点几乎和壁面温度相同,随着薄液膜厚度的增加而迅速降低;在薄液膜的起始段,热流密度快速达到最大值,随即迅速减小.蒸发段的蒸发传热系数大于冷凝段的冷凝传热系数,蒸发/冷凝传热系数在整个绝热段并不都为零.同时,通过实验验证了模型的正确性.     

低温水热管的特性研究

比较了几种工质在近室温范围的性能并对20～60℃的水热管特性进行了研究，认为在该温度区间水仍为较合理工质，实验测得了20～60℃水热管的换热系数及最大热流密度，并整理出该研究范围的热管蒸发段和冷凝段换热特性的关联式。