燕尾形轴向微槽道热管中毛细驱动相变传热性能研究

摘要

高效的空间飞行器热控系统对保障空间飞行器安全可靠运行起着非常关键的作用，随着空间飞行器的迅速发展，迫切需要发展无泵功消耗、自重更轻和高效传热的热控设备，而轴向微槽道热管则能很好地满足此类要求。燕尾形轴向微槽道热管作为轴向微槽道毛细热管的典型代表，具有很强的毛细泵压和吸液芯渗透性，表现出了优越的导热性能和温度均匀性，可于微重力环境下安全、可靠、稳定地工作，在航天热控系统、微电子元器件散热等领域有着广阔的应用前景。本文基于数值求解及试验研究，对燕尾形轴向微槽道热管的稳态流动和传热特性、多热源和单热源时的瞬态热响应特性进行了系统深入的理论和实验研究。主要研究内容和结论总结如下: (1)建立了燕尾形轴向微槽道热管中毛细驱动蒸发冷凝耦合相变传热的稳态理论模型并进行数值求解，得到了蒸发段和冷凝段的薄液膜液膜厚度、热流密度、气液接触面的蒸发/冷凝传热系数以及热管壁面温度、液体和蒸气温度的轴向分布，并以热管最大传热能力为目标对热管槽道结构进行了优化。研究结果表明:①在蒸发薄液膜区，蒸发薄液膜厚度沿径向呈线性增加。在起点处，气液接触面的温度几乎和壁面温度相同，随着蒸发薄液膜液膜厚度的增加，气液接触面的温度经历一个快速下降的过程，然后逐渐降低到接近蒸气的温度。沿径向方向蒸发薄液膜的热流密度在狭小区域内上升到一个峰值，并随着液膜厚度的增加热流密度逐渐降低;②冷凝薄液膜厚度从槽道之间的肋片顶部的端点到中点逐渐增厚。冷凝薄液膜气液接触面的温度在槽道肋片的端点基本与肋片的温度相同，从槽道肋片的端点到中点，气液接触面温度逐渐增加，并且，冷凝薄液膜气液接触面的热流密度逐渐降低至最小值后逐渐增大;③蒸发段气液接触面的蒸发传热系数高于冷凝段的冷凝传热系数;④毛细半径沿轴向均呈非线性增加，在蒸发段和绝热段变化较小，而从冷凝段开始急速上升;并且，随着热负荷的增加，沿轴向毛细半径的变化更为剧烈。 (2)针对热管在电子设备启动及其经历热波动等应用工况，建立了单热源和多热源工况下燕尾形轴向微槽道热管内毛细流动相变传热的热响应理论模型并进行了数值求解。模型考虑了液体对流传热、气液接触面相变传热和气液交界面剪切力的影响。研究了热响应过程中热管壁面温度、弯月面毛细半径、液体速度和压力的变化。研究结果表明:①单热源工况下，在热管启动运行过程中，蒸发段起点与冷凝段终点的毛细半径差别越来越大，当其产生的毛细压头可以使得冷凝段的液体回到蒸发段，毛细半径沿轴向不再变化，热管达到稳定状态。热管蒸发段、绝热段和冷凝段的温度在热管启动运行过程中能实现协调一致的瞬态响应，且各段的温度分布非常均匀。热管液态工质流速在启动的初始阶段迅速增大，随之增速放缓，热管到达稳态时工作流体的速度基本不变;②多热源工况下，蒸发段热源边界处的温度呈阶跃变化。在蒸发段热源处，液态工质流速变化激烈，而在蒸发段无热源处，液态工质速度变化比较平缓。当热源功率沿轴向（由蒸发段向绝热段方向）从小到大排列时，蒸发段的温度分布阶梯递增，最高的温度出现在热源功率最大位置处;当热源功率沿轴向（由蒸发段向绝热段方向）从大到小排列时，蒸发段的温度分布则呈阶梯递减趋势，最高的温度同样出现在热源功率最大位置处。当热管在多热源工况下运行时，相同功率下热源之间距离越大，热源加热处的温度越低。 (3)设计搭建了燕尾形轴向微槽道热管传热性能实验测试平台，实验研究了水平工况下采用恒温循环水冷却的燕尾形轴向微槽道热管在单热源和多热源工况下的瞬态及稳态传热性能，分析了加热长度、热源位置和双热源加热工况的热源配置对该型热管传热性能参量（蒸发段平均温度与冷凝段平均温度之差、当量导热系数、总热阻、最大传热能力以及蒸发段/冷凝段传热系数）的影响，并给出了热管启动/关闭及负荷变化的瞬态热响应特性。实验研究结果表明:①燕尾形轴向微槽道热管具有良好的恒温特性和导热性能，并且在负荷突然增加或减小时，热管也表现出良好的热响应特性。该型热管蒸发段与冷凝段温度之差随着热负荷增大而增大，且冷源温度（热管冷凝段冷却水温度）对热管蒸发段与冷凝段温度之差影响较小;②当热管运行在双热源加热工况时，热管在有热源位置处的温度明显高于无热源处温度，从无热源处过渡到有热源处温度会陡然增加，从有热源处过渡到无热源处，温度则会陡然降低;③热管最大传热能力受其工作温度影响较大，在工作温度较低时具有良好的传热能力，但在高温下，传热能力受到削弱。④在保持热管的热源长度不变时，热管冷凝段长度越短，相同加热功率下热管的工作温度越高，热管启动进入稳态的时间也越长，热管最大传热能力减少;⑤加热热源位置对热管的工作性能有重要影响，在热源长度和冷凝段长度保持不变时，热源位置离热管冷凝段的距离越小，热管的最大传热能力越大。若单一热源覆盖热管端口给热管蒸发段加热时，当加热功率到达传热极限时，端口处的温度急剧升高;若单一热源远离热管端口给热管加热，当加热功率到达传热极限时加热处的温度高于热管正常工作的温度值，但能处于稳定状态。 (4)实验研究了放置倾斜角度对热管工作性能的影响，测试了在负倾角（蒸发段高于冷凝段)、零度、5度、30度、45度和90度工况下采用空气强制对流冷却的燕尾形轴向微槽道热管稳态及瞬态传热性能。实验结果表明:①当热管工作于负倾角工况，在放置倾角大于-1.5度时，轴向微槽道热管仍然是通过工质的相变进行传热，但放置倾角为-5度时，较小的输入功率就会使得热管蒸发段和绝热段的温度不断升高，热管无法正常启动工作;②当热管工作于正倾角(0～90度)工况，随着倾斜角度增加，热管总热阻、蒸发段与冷凝段温度之差随之减少，当量导热系数和蒸发段/冷凝段传热系数则相应增加;③当热管处于正倾角工况，由于重力的作用使得工作流体聚集在热管的底部。当加热位置位于热管工作流体静止液面以上并且加热功率较小时，加热位置温度会经历“急剧上升-迅速回落-正常水平”的变化过程，但当加热功率超过一定值，热管将无法正常启动;④在正倾角工况下，当单一热源不覆盖热管端口且距热管端口有一定距离时，热管在启动过程中，加热热源下面位置的温度响应滞后于加热热源位置和加热热源上面位置的温度响应。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 热管简介

1．2．1 热管工作原理

1．2．2 几种典型热管

1．3 槽道热管理论研究现状

1．3．1 槽道热管分类

1．3．2 槽道热管特点

1．3．3 槽道热管的稳态传热特性研究

1．3．4 热管的瞬态传热特性的理论研究

1．3．5 蒸发薄液膜

1．3．6 多热源时的传热性能

1．3．7 纳米流体应用于热管理论研究

1．4 槽道热管实验研究现状

1．4．1 稳态特性实验研究

1．4．2 热管瞬态传热特性的实验研究

1．4．3 蒸发薄液膜传热和流动特性的实验研究

1．4．4 纳米流体强化轴向槽道热管的实验研究

1．5 本文主要研究内容

1．6 本章小结

第二章 燕尾形轴向微槽道热管中蒸发冷凝耦合相变稳态传热

2．1 引言

2．2 数学模型

2．2．1 工质流动

2．2．2 蒸发段传热

2．2．3 冷凝段传热

2．2．4 节点的热平衡

2．2．5 数值求解过程

2．2．6 实验验证

2．3 结果分析与讨论

2．3．1 流动特性

2．3．2 液膜分布

2．3．3 温度分布

2．3．4 气液接触面特性

2．3．5 微槽道结构尺寸的影响

2．4 本章小结

第三章 燕尾形轴向微槽道热管单热源和多热源工况下的瞬态热响应特性

3．1 引言

3．2 数学模型

3．2．1 控制方程组

3．2．2 初始条件与边界条件

3．3 数值求解过程

3．4 实验验证

3．5 结果分析及讨论

3．5．1 单热源工况

3．5．2 多热源工况

3．5．3 考虑热源热容影响

3．6 本章小结

第四章 燕尾形轴向微槽道热管实验测试系统

4．1 测试元件

4．2 实验装置及测试过程

4．2．1 恒温循环水冷却

4．2．2 强制空气对流冷却

4．3 热管热损失的计算

4．4 数据分析

4．5 实验误差分析

4．5．1 直接测量误差

4．5．2 间接测量参数相对误差

4．6 本章小结

第五章 水平工况下热管传热性能的实验结果与分析

5．1 蒸发段长度对热管传热性能的影响

5．1．1 稳态轴向温度分布

5．1．2 蒸发段与冷凝段平均温差

5．1．3 总热阻和当量导热系数

5．1．4 热管蒸发段／冷凝段传热系数

5．1．5 瞬态特性

5．1．6 最大传热能力

5．2 热源位置对热管传热性能的影响

5．2．1 稳态轴向温度分布

5．2．2 蒸发段与冷凝段的平均温差

5．2．3 总热阻和当量导热系数

5．2．4 启动／关闭过程中的轴向温度分布

5．3 多热源工况下热源分布的影响

5．3．1 不同加热功率的稳态轴向温度分布

5．3．2 启动过程不同时刻轴向温度分布

5．3．3 最大传热能力

5．4 热管冷凝段长度对传热性能影响

5．5 冷却水流量对热管轴向温度分布的影响

5．6 不同加热工况下的传热性能分析

5．7 本章小结

第六章 放置倾角对热管传热性能的影响

6．1 空气自然对流换热冷却工况

6．2 空气强制对流换热冷却工况

6．2．1 负倾角下热管轴向温度分布

6．2．2 正倾角下热管稳态特性

6．2．3 正倾角下热管瞬态特性

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文