液滴辐射器辐射与蒸发特性的数值研究

摘要

随着航天器向大型化方向发展，其功耗和产生的废热迅速增多，目前采用的热控技术可能将无法满足散热要求，因此需要发展低质高效的废热排放系统。液滴辐射器（Liquid Droplet Radiator-LDR）是一个非常有前景的新型废热排放系统方案。
　　 LDR系统主要由液滴发生器、液滴收集器、循环泵、换热器及流体管道组成。工作流体首先在换热器中被航天器的废热加热，然后在液滴发生器中形成数以亿计的小液滴喷射而出，在行进过程中向空间辐射热量，然后被收集器捕获，再由循环泵送回到换热器中，如此循环。
　　 液滴发生器与收集器间的液滴层是LDR系统中的有效辐射部分，其辐射性能决定了LDR系统的排热性能，蒸发特性则对LDR系统的运行寿命有着关键影响。
　　 在对液滴层辐射与蒸发特性的研究中，首先讨论的是非常稀疏的液滴层，对液滴间距与直径之比大于10的稀疏液滴层，可将其作为孤立液滴群处理。建立了单个液滴辐射与蒸发过程的数值模型，讨论了液滴初始温度和半径对终温与蒸发比重（液滴蒸发质量与初始质量之比）的影响，继而导出对单位质量液滴辐射能量与系统运行寿命的影响。结果表明，液滴初始温度越高，初始半径越小时，单位质量液滴辐射能量越大而系统运行寿命越短；对于特定的液滴层质量，在某一给定的运行寿命条件下，随着液滴初始半径的减小，可取的初始温度范围降低，系统取较小半径及相应的最高初始温度时，辐射的能量较大。
　　 其次考虑光学厚度小于1的液滴层，构建了液滴层辐射传热与蒸发联合模型，讨论了液滴层初始温度和光学厚度对温度分布、蒸发损失速率及系统寿命的影响。在液滴直径一定的情况下，数值结果表明：蒸发损失速率随初始温度和光学厚度的增大而增大，其主要贡献源自距离液滴发生器较近的高温液滴层，在较短液滴层长度内蒸发损失速率迅速上升，到达一定长度后，蒸发损失速率趋于一稳定值；额外加载10％液滴层质量工质时，液滴层初始温度对系统寿命影响较大，初始温度由 降至，系统寿命增至4倍多，增幅基本不随液滴层长度而变化；而光学厚度对系统寿命影响较小，随光学厚度的增大，系统寿命略有增长，且随着液滴层长度增加，光学厚度影响减小，不同光学厚度的系统寿命逐渐趋于一致。
　　 然后对具有任意光学厚度的液滴层进行了讨论，得到了光学厚度对液滴层温度分布、平均温度、蒸发损失速率及系统寿命的影响。在液滴直径一定和额外加载10％液滴层质量工质的情况下，数值结果表明：随光学厚度增加，液滴层温度升高，中心与边界的温度差增大，当光学厚度大于8时，收集器处厚度方向温度分布曲线逐渐趋于一致。平均温度的数值计算结果与光学薄极限条件下理论公式得出的结果相当接近，因此在可接受的误差范围内，液滴层平均温度可由光学薄极限条件下理论公式给出。在光学厚度较小时()，蒸发损失速率随光学厚度近似以正比关系迅速增长，光学厚度较大()时，蒸发损失速率随光学厚度略有增加。与之相反，系统寿命在光学厚度较小时，增长缓慢，光学厚度较大时，增长较快。
　　 最后，在考虑非灰体及变物性参数情况下，对液滴层的辐射换热进行了进一步研究。讨论了液滴直径、层数和喷射频率对液滴层温度、辐射功率和单位质量辐射功率等的影响。结果表明，在所讨论的系统条件下，液滴直径和喷射频率越大，相应的临界层数（液滴层辐射功率为稳定值的95％时所对应的液滴层数）越小；系统取较小液滴直径为宜，可通过增加液滴发生器的宽度以及液滴喷射频率来增加液滴层辐射功率，在没有到达临界层数的情况下，还可通过增加液滴层数来增加辐射功率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

第2章 液滴辐射器单液滴辐射与蒸发模型

第3章 液滴辐射器辐射与蒸发联合模型初步研究

第4章 液滴辐射器辐射与蒸发联合模型

第5章 液滴辐射器辐射散热过程数值模拟

第6章 结论与展望

附录

在读期间发表的学术论文和取得的研究成果

致 谢