竖直铯热管传热特性的实验和数值模拟

近年来,有关中温铯热管的研究较少,主要因为铯热管造价昂贵且铯金属化学性质活泼,开展实验难度较大,因此通过数值模拟方法对铯热管启动特性与内部相变等过程进行分析预测具有重要意义。首先,本文开展铯热管冷启动实验,并基于目前的热管模拟模型,利用UDF建立蒸发与冷凝的自适应模型,对比实验热管稳态壁温与数值模拟计算壁温,最大温差小于20K,且较好地呈现了热管末端的温度突降,证明了模型的准确性。其次,基于竖直铯热管变功率冷态启动实验,模拟获得铯热管启动过程中热管壁面温度及内部工质相态分布的演变过程;并利用壁面温度的平均差数值评价有效长度上的均温性。最后,通过模拟研究改变热管蒸发段长度(200mm和120mm)、加热功率(1028.2W和844.4W)及充液率(8.8%、12%和15%),对比分析其相态分布、温度分布及压力分布;综合热管有效工作长度、壁面均温性、蒸发段液相堆积与干烧现象,分析蒸发段长度与充液率的最佳配比,为热管的优化设计提供基础。

基于正交试验的铯热管优化设计

中温热管在核反应堆二次换热、中温恒温控制及飞行器热防护等领域中均有潜在应用,利用数值模拟开展贵金属热管研究并对其进行全参数优化设计具有重要意义。首先,通过UDF在自适应相变模型基础上添加多孔回流模型,并对比实验数据及基础模型结论,验证了模型的准确性。其次,引入正交试验法研究全因素相互作用下各因素对热管性能影响的重要性顺序,结果证明在选取工况范围内各因素的影响显著性顺序为倾角>长径比>充液率>丝网目数,获得最优设计工况为长径比17.18、充液率15%、倾角δ=45°、丝网50目,此时整体热阻仅为较差工况的15.6%,传热性能显著增强。最后,通过对比分析饱和启动伊始至准稳态过程中,热管及多孔结构内部的相态分布、温度分布、干烧现象等,证明最优设计参数下热管壁面多孔结构内冷凝液分布能够维持均匀且连续,有效避免了壁面的局部过热,显著提高了热管的温度均匀性。同时,长径比和充液率等参数的匹配使得热管换热有效长度可达100%。