环路热管主芯中多过程耦合传热现象的理论模型和数值研究

摘要

由于航天热控领域和电子设备散热领域对于高热流密度传热装置的迫切需求，一类基于蒸发潜热吸热、毛细力驱动流体工质循环和定向传输热量机理的自驱动的两相传热装置得以迅速发展起来，并得到了日益广泛的应用。毛细泵环(Capillary PumpedLoop)和环路热管(Loop Heat Pipe)就是其中极具潜力的两种，而其关键性的部件则是蒸发器主芯。由于蒸发器主芯内部的物理过程的复杂性，至今，人们对其工作过程的详细机理，认识还非常有限。本论文通过理论建模、数值模拟和结果分析，对环路热管主芯内部的流动和传热传质过程进行了较为深入的研究，得到了一些有意义的结果。全文工作大致分为两大部分：第一部分包括建立理论模型、确定数值求解方法、验证数值模拟结果的合理性、以及讨论和分析基本的数值模拟结果；第二部分则为理论模型的应用研究，主要包括评估主芯性能、研究单参数影响和多参数影响、以及模拟蒸发器主芯的动态过程和分析其动态响应行为。 首先，针对管壁内侧开有环向次级蒸汽槽与轴向主蒸汽槽相配合的圆柱形蒸发器，本文发展了一个轴对称二维的数学模型来模拟蒸发器主芯内部的稳态/瞬态物理过程。模型综合考虑了毛细驱动对流过程、传热过程和蒸发过程，并全面地考虑了流场与汽液相界面之间的相互作用对于流场、相界面的位置和相界面上毛细力分布的影响。模型考虑了毛细效应导致的相界面过热的影响，并使毛细力与过热度和热负荷相匹配。按照界面追踪思想，模型全面考虑了相界面的流热耦合效应，联立界面动力方程和能量守恒方程，计算出相界面移动速度，进而得到相界面位移的连续推进位置。 采用在近热源区域具有局部加密网格的二维交错网格上的有限容积方法，数值求解了所提出的理论模型。模拟结果验证了理论模型的合理性，并通过成功模拟蒸发器主芯的正常启动过程而验证了环路热管的自驱动机制。论文研究了蒸发器主芯的稳态工况和正常启动过程，讨论了对流作用对流场、蒸发面和主芯性能的影响，分析了毛细多孔介质中的蒸发过程，讨论了主芯内部蒸发面的变化规律和机理。此外，论文还对理论模型的部分假定的合理性进行了讨论。 其次，鉴于环路热管是一种自驱动的两相传热装置，以及蒸发器主芯所承担的吸收热负荷、组织蒸发和产生毛细驱动力的功能，本文提出按照驱动性能、传热性能和蒸发毛细效应这三方面来综合评估一个蒸发器主芯的性能。由于本模型能全面考虑多个物理过程耦合现象并能给出很多信息，数值模拟又易于独立改变参数以实现单参数影响的研究，本文详细研究了热负荷、多孔芯结构参数(孔隙率、有效孔径、渗透率和有效导热系数)对主芯各项性能的影响。而基于单参数影响的研究结果，本文将主芯工作模式分为完全热传导控制模式、不完全热传导控制模式和对流控制模式，并研究了不同主芯工作模式的特点。此外，本文也研究了多参数影响和参数间的相互干扰作用，并绘制了热流密度-有效导热系数平面和热流密度-渗透率平面的相图。最后，本文研究了蒸发器主芯在功率跟随过程和功率循环过程中的动态响应行为，讨论了主芯内部初始状态的影响、变热负荷响应的延迟效应、以及主芯在运行过程中的抗干扰能力和自恢复能力。此外，本文也讨论了动态过程模拟中未能发现温度振荡现象和迟滞现象的原因。 论文提出的理论模型和数值研究结果不仅对加深环路热管的关键部件——主芯内复杂热物理过程的机理认识具有理论意义，且对指导蒸发器主芯的优化设计具有工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章导论：应用背景、研究现状及本文研究内容

§1.1毛细泵环和环路热管

§1.1.1高效传热装置的迫切需求和对流热控/热管理技术

§1.1.2基于蒸发潜热传热和毛细力驱动循环工作机理的热控/热管理技术

§1.1.3环路热管的结构、特点、操作原则及发展

§1.2移动界面问题的处理

§1.2.1流体体积函数法(VOF)

§1.2.2等值面法(LS)

§1.2.3孔隙网络模拟(Pore Network Simulation)

§1.3当前研究进展的概述

§1.4本文工作的概述

第二章数学物理模型

§2.1多孔介质传热过程：流场模型

§2.1.1多孔介质的相关概念和研究方法

§2.1.2连续性方程的引入

§2.1.3动量方程的引入，Darcy定律和Brinkman修正

§2.1.4多孔介质中能量方程的引入

§2.2毛细多孔介质中的汽液相界面：界面模型

§2.2.1汽液相界面两侧物理量的联系

§2.2.2毛细效应和毛细力

§2.2.3相界面移动速度和位移的计算

§2.2.4毛细泵环/环路热管蒸发器主芯的蒸发状态和毛细管中的蒸发机制

§2.2.5连续性方程和能量方程在全区域适用性的证明

§2.3模拟环路热管蒸发器主芯内部物理过程的模型

§2.3.1控制方程及其在柱坐标系中的展开形式

§2.3.2边界条件、初值条件和相界面条件的嵌入

§2.3.3参数取值范围

§2.3.4方程无量纲化

第三章数值计算模型和程序实现

§3.1网格设置和方程离散

§3.1.1压力方程的离散

§3.1.2渗流速度的离散

§3.1.3能量方程的离散

§3.1.4连续性方程的离散

§3.1.5边界条件的离散

§3.2界面模型的数值处理

§3.2.1毛细力的计算

§3.2.2相界面移动速度和位移的计算

§3.2.3加热齿壁面附近多孔芯中微气泡的生成和发展以及相界面的变化

§3.3计算方案和程序

§3.3.1离散代数方程组的求解

§3.3.2计算方案和程序

第四章数值模拟结果分析

§4.1稳态工况模拟

§4.2关于模型假设的合理性的讨论

§4.2.1环路热管外环路压降(Pout-Pin)的影响

§4.2.2关于其它假设的讨论

§4.3蒸发器主芯正常启动过程的模拟

§4.4本章小结

第五章蒸发器主芯性能的评估和参数影响的研究

§5.1热负荷对主芯性能的影响

§5.2有效导热系数对主芯性能的影响

§5.3孔隙率、有效孔径和渗透率对主芯性能的影响

§5.3.1孔隙率和渗透率的影响

§5.3.2有效孔径和渗透率的影响

§5.3.3渗透率与主芯性能

§5.4本章小结

第六章关于多参数影响和动态过程模拟的讨论

§6.1关于多参数影响的讨论：相图

§6.1.1热流密度—有效导热系数平面的相图

§6.1.2热流密度—渗透率平面的相图

§6.1.3关于多参数影响的简单小结

§6.2动态过程的模拟

§6.2.1功率跟随过程(power-step process)的模拟

§6.2.2功率循环过程(power-cycle process)的模拟

§6.2.3关于动态过程模拟的简单小结

第七章结论和展望

§7.1本文内容的总结

§7.1.1环路热管主芯内部物理过程模拟的模型、算法和结果

§7.1.2应用研究

§7.2本文的创新点

§7.3建议和展望

参考文献

博士期间发表的学术论文

致谢