基于环路热管的航天器可折叠辐射散热器设计

航天器废热排放问题是制约其有效载荷容纳量增长的主要因素。文章针对目前可折叠辐射散热器折展比低的问题,设计基于环路热管的航天器可折叠辐射散热器,提出了一种基于对称六连杆Waldron机构设计的高折展比折叠方案,采用柔性环路热管作为热量收集和传递单元,实现辐射可动板间的柔性连接。通过对1/8等比样机的仿真数值模拟和试验研究,分析了基于环路热管的可折叠辐射散热器的传热特性。研究结果显示:该样机最大可传输200 W热量,展开后可获得更大的散热面积。

激光载荷相变材料热控装置力学性能及升温特性研究

针对登月航天器激光载荷热控要求设计了一种采用十八烷作为相变材料的热控装置,使用ANSYS有限元分析软件对该装置的壳体进行了耐压强度分析,并搭建了实验装置,对该热控装置在振动条件以及真空热条件下的力学特性进行了实验研究.结果表明,在实验范围内,相变材料热控装置的壳体不会发生塑性形变和泄露.同时对其升温特性进行了实验研究,分别探讨了不同加热功率以及重力对相变材料升温特性的影响,实验结果表明,相变材料固液共存阶段比单相阶段的升温速率慢、历时长且吸收的热量多,同时,相变材料在发生相变时引起的自然对流对换热的整体效果影响可以忽略.

具有前置公用工程的换热器网络的通用解法

本文在罗行等人提出的分级超结构换热器网络的通用解的基础上,提出一种将热冷公用工程放置于换热器网络每一级的冷热流体之前的带分流的分级超结构换热器网络数学模型,并根据这种新型的模型推导出换热器网络的出口温度和每一级流股节点的温度的计算公式,从而增强了分级超结构换热器网络模型的适用性。最后用实例证明所提出的数学模型的正确性。

低温回路热管技术研究

作为一种高效的两相传热装置,环路热管主要利用工质的气液相变实现热量的远距离传输,因此工质的性质及充装系数对其性能具有很大影响。主要对影响低温回路热管性能的几种关键因素(包括工质品质因数、充液率、重力等)进行了理论及实验研究,并对回路热管进行了优化。将脉管制冷机作为冷源,对其与回路热管进行了集成应用性能研究,为回路热管的空间应用奠定了理论及实验基础。

微尺度通道内气液两相流型可视化研究

建立微尺度通道流动沸腾换热试验台,采用高速摄像仪对水平微尺度单管(内径0.8 mm)内低沸点制冷工质(R32/R134a(25%/75%))气液两相流动特性进行可视化观察研究分析,获得了流型照片。在各种质量流量和进口干度下对工质在微尺度管内的两相流流动特性进行了试验,观察到了各种工况下流型的转化特点,对流型的影响因素进行分析。试验工况为:质量流量G=760～10 360 kg/(m2.s),进口干度x=0.01～0.77。实验结果表明:在较高的质量流量工况下,工质在微尺度单通道内的流型比较单一,主要呈气状流/雾状间隔流动。在进口质量干度较低的情况下,也会出现比较明显的环状流,但液膜总处于波动状态,有不稳定现象。无论什么工况,均没有出现像常规通道内的分层流动现象。

微通道内低沸点工质流动沸腾压降特性

在压力为0.5~1.7 MPa,质量流量为381~2291 kg·m-2.s-1,干度为0~1.0的工况范围内试验研究微尺度通道内低沸点混合工质R32/R134a的流动沸腾压降性能,同时对两相流流型进行可视化观察。微尺度通道内径为1.92 mm,0.86 mm和0.5 mm三种,试验结果表明:微尺度通道内压降随质量流量的增加而增大;在低热通量时,压降随着热通量的增大而增加;当热通量q】150 kW·m-2以后,压降不再随着热通量的增大而升高,而是保持一个基本不变的趋势;当通道内流型由弹状过渡到环状时,会出现压降的波动,弹状流时压降缓慢增加,而环状流时压降保持稳定。

肋化结构对两相受限式阵列射流冷却的影响

为了利用两相沸腾换热提高阵列射流冷却热沉性能,使其可以用于更高热流密度散热场景,基于肋化结构对相变换热的促进作用,本文提出了两种复合不同肋化表面的受限式阵列射流冷却热沉结构,并对优化后的热沉的传热、流动特性展开了相关实验研究。两种肋化表面结构分别为:光滑切割针肋(SL1)、外覆烧结多孔层的粗糙针肋(SL2),针肋尺寸均为0.6mm×0.6mm×1mm (长×宽×高),SL2中多孔层颗粒粒径为120~150μm,厚度约为2倍颗粒直径。分布式阵列射流孔板构成5×5的射流单元,每个单元对应4×4针肋阵列,热源总面积30mm×30mm,针肋共计400个。实验使用无水乙醇为工质,得到了热沉在工质流量2.6~12.7mL/s、入口温度283~313K范围时的沸腾曲线和传热曲线。结果表明,两种针肋结构均可以有效实现单相强迫对流换热向两相沸腾换热的转变;增加入口温度或降低工质流量均可以有效地促进相变的发生。在相同工质流量、温度时,SL1较SL2具有更优的单相换热性能,随着加热热流密度的增加,SL2可以在更低壁面过热度下达到沸腾起始点实现过冷沸腾,表现出更佳的传热特性,但SL1可以达到更高的临界热流密度。

不同工质下带蒸汽腔的?形微通道热沉特性

借鉴轴向槽道热管结构在工作时良好的气、液分离工作特性,本文提出了一种带蒸汽腔的复合微通道热沉,用以解决大面积或高热流能量收集时热沉通道内部由于排气不畅易导致气塞和返流现象,进而出现流动沸腾不稳定性问题和传热恶化的问题。热沉底板包含20个?形平行通道,肋顶端与盖板下表面间形成连通的蒸汽腔作为两相流时的气体流道。实验以无水乙醇、Novec HFE 7100为工质,并结合可视化观测对热沉性能进行了研究,可以观察到随加热热流密度逐步增加,热沉内部工质依次经强制对流到过冷沸腾、核态沸腾,并最终达到过渡沸腾,可视化实验结果与温度测量结果相吻合。当使用乙醇为工质,在入口质量流速qm=280.37kg/(m2·s)、加热热流密度qeff=30.32W/cm2时,最大传热系数为9494W/(m·℃)。此种结构在有效地保证了热沉换热效果的同时,通过分离气、液流道对抑制流动沸腾不稳定性有明显效果。

阵列射流冲击复合不同肋化表面的沸腾特性

阵列射流冲击冷却技术可以有效地解决高热流密度器件的散热问题,为了验证受冲击表面强化传热结构对优化两相射流冷却性能的有效性,结合高速显微摄像手段,研究了不同肋化表面结构形态对受限式阵列射流冷却的流动、传热特性的影响。设计了2种含不同肋化表面形态:光滑切割针肋(0.6mm×0.6mm×1.0mm)、外覆多孔烧结层的粗糙针肋(粒径为73~53μm)。实验使用无水乙醇为工质,以光滑表面的射流冷却热沉为对照组,入口温度均为20℃,在固定工质流量7.5mL/s下,随着加热热流密度由5W/cm^2增加至100W/cm^2时,热沉的换热系数均持续上升但增幅逐渐减小,未明显观察到沸腾相变的发生。对固定热流密度82.6W/cm^2、80.5W/cm^2改变工质流量(射流雷诺数)的实验工况,当工质流量由7.5mL/s逐渐降低至1.0mL/s时,可以非常明显地观测到射流腔内部工质由分层湍流逐步进入泡状流、弹状流及环状流,其分别对应起始沸腾区、核态沸腾区及膜态沸腾区。

二氟硼姜黄素烯丙基醚的合成及Pd(0)荧光探针性质研究

钯(Pd)是一种性质非常特殊的稀有过渡金属,在化学以及材料科学中具有重要地位.钯催化反应的产物中常有一定浓度的残余钯污染,需要进一步纯化和检测.因此发展用于检测Pd的技术手段很有必要.零价钯可以通过对烯丙基氧化插入而切断烯丙基醚类化合物的C—O键.基于这个反应,设计合成了荧光分子二氟硼姜黄素烯丙基醚化合物,并测试了其紫外光谱和荧光光谱,研究了其对钯化合物的选择性识别作用.结果表明,该荧光分子对二价钯并无响应,只有零价钯Pd2(dba)3使该分子荧光发生猝灭.该荧光分子对于零价钯表现出很好的选择性和响应性,可作为基于脱烯丙基化反应检测零价Pd的荧光探针,为"turn-off"型荧光探针.

流动沸腾条件下微通道壁面温度的红外特征

设计并搭建了沸腾换热试验台,采用TH5104红外热像仪测量微通道壁面温度来研究混合制冷工质在微通道内的沸腾换热特性。测量试件是一外径为1.22mm,内径为0.86mm,长为200mm的不锈钢单圆管。实验利用红外热像仪测量并记录下质量流量为1 726～8 635kg/m2.s,热流密度为65～231kW/m2时壁面温度的变化情况。实验分析和讨论结果显示:微通道壁面的温度分布沿着轴向变化有明显的规律性;水平微尺度通道内流动沸腾过程中,试件前后段有较大的温差效应,温差的正负与热流密度的大小有关;壁面温度的变化与热流密度、管内工质的流型和换热形式关系密切,流型越复杂,壁面温度变化越剧烈。

3D打印钛合金毛细芯流动和传热的数值模拟

毛细芯作为环路热管中的关键部件,其流动和传热特性决定了整个环路热管的性能。作为一种新型的毛细结构,3D打印毛细芯的研究尚在起步阶段。基于VOF、LEE等模型,对3D打印钛合金毛细芯的流动和传热特性进行了数值模拟,在1.95 W和2.96 W的热负荷下,模拟结果与实验结果拟合良好。对毛细芯湿工况的二维模拟结果显示,毛细芯的温度不仅取决于热负荷,还取决于毛细芯表面的两种传热机制,即毛细蒸发机制和热传导机制。

三种不同毛细芯的有效导热系数的实验研究

采用水和乙醇为工质,施加不同的热载荷,获得了氮化硅、氧化锆及3D打印钛合金等三种毛细芯在干态、含水和含乙醇状态下的有效导热系数。研究显示:三种干态毛细芯的有效导热系数都随毛细芯平均温度的升高而增大;氧化锆、3D打印钛合金毛细芯在含水和含乙醇状态下的有效导热系数随毛细芯平均温度的变化呈现出先增大后减小的趋势,最后趋向于自身的热导率;在含水状态下,氮化硅毛细芯的有效导热系数随毛细芯平均温度的升高呈现出先增大后减小的趋势,在含乙醇状态下,氮化硅毛细芯的有效导热系数随毛细芯平均温度的升高没有明显变化。

液氮温区Ω形轴向槽道热管的启动特性与传热性能

基于空间深低温热传输需求设计了一套带有常温储气库的氮工质Ω形轴向槽道热管,并对其启动特性和传热性能进行实验研究,对比了槽道热管在不同充液率和放置角度下的传热性能。结果发现:热管在常温下启动迅速,绝热段及蒸发段在冷凝段降温至液氮温区后可以在短时间内降温,热管均温性良好。槽道热管能够在70~110K温度范围内高效传热,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小。热管的充液率为100%时其传热性能最优,过大或过小会使得热管传热性能下降。储气库结构可以减小热管工作温度变化对其充液率的影响,利于其在更大的温度范围内获得更好的传热性能。热管的放置形态对其传热性能有显著影响,不同的放置形态会影响热管的传热极限和传热热阻。当热源处于蒸发段管线下端时性能最优,最大传输功率为45W,热阻最低为0.31K/W。

基于最大水回用规则的遗传算法用水网络优化

超结构用水网络规模大、结构复杂、求解比较困难。本文提出了基于最大水回用规则的遗传算法用水网络优化设计方法,该方法按出口浓度的单调性进行排列,使进口浓度或出口浓度达最大值以确定用水量,简化了用水网络超结构及数学模型。以最小新鲜水量为目标,以过程之间回用水量和废水量为基因,对简化后的用水网络运用遗传算法进行了优化设计。遗传算法采用浮点数编码方法,运用了算术交叉技术和种群间交叉技术。计算实例表明,本文所提方法可行,能利用最大水回用规则简化用水网络,并快速求出其最优解。

环路热管中Ti64ELI毛细芯传热能力的实验研究

在环路热管(LHP)中,蒸发段的结构最为复杂,而其中的毛细芯是直接影响热管工作性能的部分,因此有很大的研究价值。为模拟LHP中毛细芯的真实运行情况,设计了一台在常温下测定毛细芯工作时表面温度的实验装置,对环路热管蒸发段毛细芯的传热能力进行独立的实验研究,分别采用乙醇和水为工质,在不同的加热功率下,计算毛细芯的有效热导率。研究发现,在低加热功率下,含乙醇的毛细芯的有效热导率要高于含水的毛细芯的有效热导率;而在高加热功率下,实验结果正好相反。本次实验的结论对于毛细芯传热性能的评估具有一定参考价值,也可以为LHP蒸发器的模拟仿真提供一定的实验数据。

丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究

通过采用石英补偿器和高速摄像机实现了对丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究,重点研究了补偿器内工质的状态随充装量和传热量的变化及充装量对环路热管传热性能的影响。研究发现,容积为51.4 mL的环路热管最佳充装量约为19.7 g。充装量小于最佳充装量的各工况下,能观察到对应补偿器内工质液面高度低于引流管,蒸发器和补偿器之间相变换热强烈,引流管外壁面明显有工质的冷凝及流动,且工质冷凝和流动的速度随着传热量的增加而加快;随着充装量增加,环路热管传热热阻减小,280 K工作温度以下的传热量增大。最佳充装量对应的补偿器内液面高度浸没引流管而接近蒸发器核心通道顶端,得到280 K以下最大传热量为40 W,对应的最优传热热阻为2 K/W。充装量大于最佳充装量的工况下,补偿器内液面高度超过蒸发器核心顶端,随着充装量增加,环路热管传热热阻增大,280 K以下的传热量减小。补偿器和蒸发器核心通道内的工质分布能影响蒸发器向补偿器的漏热量,这是充装量影响环路热管性能的重要原因。

均温板散热技术研究进展

均温板作为一种新型的两相流散热技术,具有导热性高、均温性好、热流方向可逆等优点,克服了传统热管接触面积小、热阻大、热流密度不均匀等问题,已经成为解决未来电子工业中高热流密度电子器件散热有效途径之一。本文总结了3种吸液芯种类:微槽道型、烧结粉末型、烧结丝网型,阐述每种毛细芯的制备方法,并比较它们的优缺点;简述了当前国内外对均温板传热传质理论的最新研究进展,学者们利用输运模型沸腾理论捕捉气液界面,确定临界热通量,分析工质在均温板内的流动和传热的规律。本文剖析了影响均温板性能的各个因素,包括流体选择、充液率、热源输入功率大小和分布位置、工作角度等。最后从背景环境角度对均温板的应用方向进行了分析和展望。

某空间相机反射镜的温度变形分析

在某空间光学系统一块反射镜的设计中,虽然采取了很多积极的措施来减小温度变化的影响,但由于能受到太阳直接照射,其空间热环境非常恶劣,因此仍需对其进行热变形分析。为此,对空间光学结构热分析的一般流程进行了讨论。对热变形分析过程中关键的温度场映射问题进行了研究,比较了两种温度场映射的方法。对于所研究的反射镜的热变形问题,选取了通过热传导分析建立温度场的方法进行了分析。分析结果表明,利用热传导建立温度场计算出来的镜面变形PV和RMS值的变化与实验结果是一致的,该方法具有普遍的适用性。

-80℃斯特林低温冰箱研制

采用4台整体式斯特林制冷机作为冷源,使用真空绝热板和聚氨酯复合发泡的绝热技术制作箱体,研制了一台有效容积为750 L,工作温度低于-80℃的低温冰箱。建立了箱体内空气流动与换热的物理和数学模型,运用FLUENT软件进行模拟仿真,仿真结果与冰箱测温实验结果吻合良好。