軸向槽道熱管傳熱機理分析與實驗研究.pdf

1、我國現(xiàn)在正面臨著環(huán)境污染和能源供應緊張等多重壓力，實施節(jié)能減排迫在眉睫。熱管作為一種高效的傳熱元件，具有優(yōu)越的傳熱特性，一直是航天器熱控系統(tǒng)的關鍵技術，在工程中的應用也日益普及，不僅在余熱回收、節(jié)能方面取得了顯著效果，而且在新能源開發(fā)、動力、化學、紡織、生產(chǎn)及生活等各個領域也得到了越來越廣泛的應用。
　　 山東大學所參與的國際合作項目阿爾法磁譜儀（AMS-02）是第一個被送入太空并將進行長期物理實驗的大型磁譜儀，未來20年里將對

2、宇宙中基本高能粒子進行精確的長時間的測量，探索暗物質和反物質的存在。山東大學設計的新型“Ω”形槽道熱管成功地應用AMS熱控系統(tǒng)中，在AMS實際運行過程中，該熱管表現(xiàn)良好，使該熱控系統(tǒng)成為AMS-02所有子系統(tǒng)中性能最穩(wěn)定的一個。為了進一步優(yōu)化其結構和傳熱性能，有必要對其進行理論分析及實驗研究，掌握其傳熱特性和解釋內部傳熱機理。本文采用實驗研究和數(shù)值計算相結合的方法對其傳熱機理進行了分析和實驗研究。
　　 首先，本文使用UDF功能

3、建立了熱管計算模型，考慮了工質物性變化的影響，對熱管內蒸發(fā)和冷凝現(xiàn)象進行模擬。發(fā)現(xiàn)熱管冷凝段內發(fā)生的相變過程為膜狀冷凝;蒸發(fā)段液池內的相變過程為沸騰換熱;熱管在高熱流密度下運行時，蒸發(fā)段內為液膜攜帶氣泡流動的流動型態(tài)，以氣液混合物的形式一起參與熱量傳遞的循環(huán)。模擬計算得到的溫度分布和熱阻的數(shù)值與實驗值相符。熱管熱阻變化曲線隨著加熱功率的增加呈下降趨勢，且越來越平緩。在本文計算范圍內，熱管的最大傳熱能力隨著工作溫度的升高不斷增大。

4、　　 本文開發(fā)了一系列制作工藝，建立了“Ω”形槽道熱管的加工制作工藝流程。在開發(fā)和完善了清洗流程的同時，引進超聲波技術強化槽道表面的清洗效果，解決了微細槽道清洗困難的問題。設計了一套以液氨為計量對象的灌裝系統(tǒng)，解決了氨極易氣化，在常態(tài)下是氣液兩相共存所造成的不能精確計量的難題，使用高精度的流量計確保熱管灌裝最終的計量精度可達±0.01g。開發(fā)了熱管封裝技術，提高了封裝質量。實踐證明，本文建立的熱管加工制作工藝能率大大提升熱管制作的成功

5、率，熱管性能良好。
　　 本文進一步對軸向槽道熱管傳熱性能進行實驗研究。實驗臺冷卻系統(tǒng)采用導熱油作為冷卻介質，選用的恒溫水浴能夠提供的冷源溫度最低可達-55℃，能夠測試熱管在低工作溫度下的傳熱特性，實驗中測試的熱管最低工作溫度為-4℃。應用在AMS熱控系統(tǒng)中的熱管設計工作溫度范圍為-20～50℃，多數(shù)電子設備的常態(tài)工作溫度保持在0℃附近。而常規(guī)熱管實驗臺只能對熱管進行工作溫度高于常溫時的工況進行實驗研究，不能全面反映熱管在整個設

6、計工作溫度范圍內的換熱特性。因此，本文設計的實驗臺能夠測試的工作溫度涵蓋了該熱管設計工作溫度區(qū)間的大部分區(qū)域。
　　 對熱管的熱負荷響應特性進行了測試，結果表明，熱管啟動和關閉性能良好，在大加熱功率、小充液率和熱管長度時熱管熱負荷響應快。分析了熱管的穩(wěn)態(tài)溫度分布特性，討論了熱管的軸向溫度分布受熱管工作溫度、加熱功率，熱管傾角及充液率等影響的變化規(guī)律，結果表明:熱管絕熱段溫度非常均勻，熱管的溫度最高點和最低點分別出現(xiàn)在蒸發(fā)段和冷凝

7、段與絕熱段過渡的部位;加熱功率和充液率對熱管軸向溫差的影響較明顯。對熱管的逆重力工作的能力進行了測試，結果表明本研究制作的熱管具有一定的逆重力工作能力。
　　 本文對熱管蒸發(fā)和冷凝換熱系數(shù)、總熱阻及當量導熱系數(shù)變化規(guī)律進行了分析，分別討論了工作溫度、加熱功率、熱管傾角以及充液率等對上述參數(shù)的影響，結果表明:隨著加熱功率的增加和工作溫度的升高，熱管的傳熱效果均得到了提升;熱管傾角的變化對蒸發(fā)和冷凝兩端的影響規(guī)律不同，以對熱管總熱阻

8、和當量導熱系數(shù)的影響來衡量，存在著一個最佳熱管傾角為60°;充液率對蒸發(fā)段換熱效果的影響程度大于對冷凝段的影響，對熱管整體換熱效果而言，熱管的最佳充液率為120％。討論了熱管長度變化對熱管熱阻和當量導熱系數(shù)的影響，結果表明熱管蒸發(fā)段和冷凝段的長度對熱管的整體傳熱性能起決定性作用。在限定了軸向溫差的基礎上，調節(jié)加熱功率和冷源溫度，得到了不同工作溫度下熱管的最大傳熱能力，工作溫度為20℃時熱管傳熱能力達到最大。總體來看，本研究制作的熱管熱負

9、荷響應快、熱阻小，具有良好的等溫性。
　　 最后，在對“Ω”形軸向槽道熱管進行實驗研究的基礎上，建立了“Ω”形軸向槽道熱管的三維數(shù)值模型，并進行了數(shù)值計算，討論了熱管傳熱性能隨著熱管結構參數(shù)槽道窄縫寬度、槽道直徑、蒸汽腔直徑以及槽道數(shù)目等的變化規(guī)律。熱管結構參數(shù)之間存在著相互聯(lián)系、相互制約的關系，各參數(shù)對熱管傳熱性能的影響程度也不相同。分析得到了各參數(shù)對熱管傳熱性能影響程度，由大到小的順序為槽道直徑、槽道數(shù)目、窄縫寬度和蒸汽腔直