轴向槽道热管传热机理分析与实验研究

摘要

我国现在正面临着环境污染和能源供应紧张等多重压力，实施节能减排迫在眉睫。热管作为一种高效的传热元件，具有优越的传热特性，一直是航天器热控系统的关键技术，在工程中的应用也日益普及，不仅在余热回收、节能方面取得了显著效果，而且在新能源开发、动力、化学、纺织、生产及生活等各个领域也得到了越来越广泛的应用。
　　 山东大学所参与的国际合作项目阿尔法磁谱仪（AMS-02）是第一个被送入太空并将进行长期物理实验的大型磁谱仪，未来20年里将对宇宙中基本高能粒子进行精确的长时间的测量，探索暗物质和反物质的存在。山东大学设计的新型“Ω”形槽道热管成功地应用AMS热控系统中，在AMS实际运行过程中，该热管表现良好，使该热控系统成为AMS-02所有子系统中性能最稳定的一个。为了进一步优化其结构和传热性能，有必要对其进行理论分析及实验研究，掌握其传热特性和解释内部传热机理。本文采用实验研究和数值计算相结合的方法对其传热机理进行了分析和实验研究。
　　 首先，本文使用UDF功能建立了热管计算模型，考虑了工质物性变化的影响，对热管内蒸发和冷凝现象进行模拟。发现热管冷凝段内发生的相变过程为膜状冷凝;蒸发段液池内的相变过程为沸腾换热;热管在高热流密度下运行时，蒸发段内为液膜携带气泡流动的流动型态，以气液混合物的形式一起参与热量传递的循环。模拟计算得到的温度分布和热阻的数值与实验值相符。热管热阻变化曲线随着加热功率的增加呈下降趋势，且越来越平缓。在本文计算范围内，热管的最大传热能力随着工作温度的升高不断增大。
　　 本文开发了一系列制作工艺，建立了“Ω”形槽道热管的加工制作工艺流程。在开发和完善了清洗流程的同时，引进超声波技术强化槽道表面的清洗效果，解决了微细槽道清洗困难的问题。设计了一套以液氨为计量对象的灌装系统，解决了氨极易气化，在常态下是气液两相共存所造成的不能精确计量的难题，使用高精度的流量计确保热管灌装最终的计量精度可达±0.01g。开发了热管封装技术，提高了封装质量。实践证明，本文建立的热管加工制作工艺能率大大提升热管制作的成功率，热管性能良好。
　　 本文进一步对轴向槽道热管传热性能进行实验研究。实验台冷却系统采用导热油作为冷却介质，选用的恒温水浴能够提供的冷源温度最低可达-55℃，能够测试热管在低工作温度下的传热特性，实验中测试的热管最低工作温度为-4℃。应用在AMS热控系统中的热管设计工作温度范围为-20～50℃，多数电子设备的常态工作温度保持在0℃附近。而常规热管实验台只能对热管进行工作温度高于常温时的工况进行实验研究，不能全面反映热管在整个设计工作温度范围内的换热特性。因此，本文设计的实验台能够测试的工作温度涵盖了该热管设计工作温度区间的大部分区域。
　　 对热管的热负荷响应特性进行了测试，结果表明，热管启动和关闭性能良好，在大加热功率、小充液率和热管长度时热管热负荷响应快。分析了热管的稳态温度分布特性，讨论了热管的轴向温度分布受热管工作温度、加热功率，热管倾角及充液率等影响的变化规律，结果表明:热管绝热段温度非常均匀，热管的温度最高点和最低点分别出现在蒸发段和冷凝段与绝热段过渡的部位;加热功率和充液率对热管轴向温差的影响较明显。对热管的逆重力工作的能力进行了测试，结果表明本研究制作的热管具有一定的逆重力工作能力。
　　 本文对热管蒸发和冷凝换热系数、总热阻及当量导热系数变化规律进行了分析，分别讨论了工作温度、加热功率、热管倾角以及充液率等对上述参数的影响，结果表明:随着加热功率的增加和工作温度的升高，热管的传热效果均得到了提升;热管倾角的变化对蒸发和冷凝两端的影响规律不同，以对热管总热阻和当量导热系数的影响来衡量，存在着一个最佳热管倾角为60°;充液率对蒸发段换热效果的影响程度大于对冷凝段的影响，对热管整体换热效果而言，热管的最佳充液率为120％。讨论了热管长度变化对热管热阻和当量导热系数的影响，结果表明热管蒸发段和冷凝段的长度对热管的整体传热性能起决定性作用。在限定了轴向温差的基础上，调节加热功率和冷源温度，得到了不同工作温度下热管的最大传热能力，工作温度为20℃时热管传热能力达到最大。总体来看，本研究制作的热管热负荷响应快、热阻小，具有良好的等温性。
　　 最后，在对“Ω”形轴向槽道热管进行实验研究的基础上，建立了“Ω”形轴向槽道热管的三维数值模型，并进行了数值计算，讨论了热管传热性能随着热管结构参数槽道窄缝宽度、槽道直径、蒸汽腔直径以及槽道数目等的变化规律。热管结构参数之间存在着相互联系、相互制约的关系，各参数对热管传热性能的影响程度也不相同。分析得到了各参数对热管传热性能影响程度，由大到小的顺序为槽道直径、槽道数目、窄缝宽度和蒸汽腔直径。热管的结构参数应该以要求实现传热量最大化或者热阻最小化为目标来进行选择。

目录

声明

摘要

主要符号

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 槽道热管的研究现状

1．2．1 理论研究现状

1．2．2 实验研究现状

1．2．3 多相流数值模拟研究现状

1．3 本文主要工作

第2章 热管数值模拟理论及方法

2．1 引言

2．2 多相流模型

2．2．1 VOF模型

2．2．2 欧拉模型

2．2．3 VOF模型和欧拉模型对比分析

2．3 相变模型

2．4 用户自定义函数

2．5 计算过程

2．6 本章小结

第3章 热管传热和流动的数值研究

3．1 引言

3．2 物理模型

3．3 数值方法

3．4 计算验证

3．4．1 网格划分及独立性验证

3．4．2 数值方法验证

3．5 模型讨论

3．5．1 VOF模型结果

3．5．2 欧拉模型结果

3．5．3 模型比较

3．6 热阻分析

3．7 最大传热能力

3．8 本章小结

第4章 槽道热管的加工制作工艺

4．1 引言

4．2 热管的构成

4．3 热管的制造工艺流程

4．4 本章小结

第5章 槽道热管传热特性的实验研究

5．1 引言

5．2 实验系统

5．3 实验方案

5．4 数据处理方法

5．4．1 各温度值的确定

5．4．2 总热阻和当量换热系数

5．4．3 当量导热系数

5．5 实验不确定度分析

5．6 换热特性分析

5．6．1 热负荷响应特性

5．6．2 稳态温度分布特性

5．6．3 蒸发换热系数变化特性

5．6．4 冷凝换热系数变化特性

5．6．5 总热阻变化特性

5．6．6 当量导热系数变化特性

5．6．7 最大传热能力

5．7 本章小结

第6章 槽道热管结构参数对传热性能的影响

6．1 引言

6．2 物理模型

6．3 数值方法

6．4 模型验证

6．4．1 网格独立性验证

6．4．2 数值方法验证

6．5 热管结构参数的影响

6．5．1 窄缝宽度

6．5．2 槽道直径

6．5．3 蒸汽腔直径

6．5．4 槽道数目

6．6 热管槽道结构参数的选取

6．7 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 研究结果

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及研究成果

致谢

附录Ⅰ相变UDF程序