部分重力驱动的两相流体自然循环回路传热性能的数值仿真

针对部分重力辅助两相流体自然循环系统构建了数值仿真模型,对不同运控条件下的月面部分重力场(g/6)和地面常重力场(1g)的嫦娥三号月球车两相流体自然循环系统稳态性能进行了数值仿真研究。数值仿真结果表明,地面重力场模拟系统能够真实反映月面重力场应用系统的性能;对于月面部分重力场中的两相流体自然循环系统,随着系统压力的增加,绝大多数工况下系统阻力减小,但在环境温度较高时,系统特性参数对系统阻力存在双值现象,可能存在系统不稳定现象,引起系统波动,甚至传热恶化。

CCD器件用机械泵驱动两相流体回路仿真与试验

电荷耦合元件(CCD)作为航天光学遥感器的核心部件之一,其工作性能受温度影响很大,传统的热控产品难以满足大功率CCD的精密控温需求。通过仿真与试验系统研究了机械泵驱动两相流体回路(MPTL)用于CCD控温时的启动特性、运行状态、内部工质的流动及传热特性。结果表明:MPTL可以通过干度的调节来吸收冷凝器外热流和CCD工作模式的影响; MPTL的控温精度可以达到±1℃,蒸发器并联支路、蒸发器负载和冷凝器温度在一定范围内变化等均不会对系统运行稳定性产生影响,其仍可将CCD器件控制在所需温度;通过仿真与试验对比,发现仿真模型的误差在±1℃以内,验证了模型的有效性和准确度。MPTL可以很好地满足航天光学遥感器CCD的控温要求,能够保证CCD始终具有较好的温度稳定性和均匀性,且系统具有良好的运行特性和鲁棒性,其在CCD精密控温方面具有很好的应用前景。

月球着陆器两相流体回路性能衰退分析与验证

针对嫦娥三号着陆器两相流体回路12个月球昼夜的寿命需求,开展了氨分解导致两相流体回路传热温差增量的分析和试验验证,结果表明寿命末期不凝气体引起传热温差增量不超过2. 2℃,同位素核热源(RHU)向探测器的供热量减小0. 6 W,设备温度整体降低0. 6℃,对热控系统影响可忽略。根据在轨遥测,寿命周期内,两相流体回路工作在45℃~50℃时不凝气体引起的传热温差增量不超过1. 5℃,与地面验证结果吻合较好;经历52个月球昼夜周期内,传热温差在3. 5℃~4. 7℃内波动,在轨工作良好。

泵驱动两相流体回路流量漂移现象的实验研究

针对因机械泵驱动两相流体回路(MPTL)特有的流量漂移现象导致的系统流量降低,使蒸发器出现蒸干的危险等问题,用实验对一定热负荷功率和初始流量下流量漂移现象进行了研究。设计了实验装置,选择初始流量和热负荷功率为实验因素,在不同初始流量和热负载功率的水平下,通过测量热负荷开始加载时至系统达到热平衡后的流量变化,并结合流量漂移过程各实验参数变化曲线,研究了泵驱动两相流体回路的流量漂移,进行了流量漂移实验,分析了实验因素对流量漂移的影响、流量漂移量与系统运行参数的关系,以及流量漂移中流型的变化。结果表明:在一定的热负荷功率下,初始流量越小,归一化流量漂移量越大;在一定的初始流量下,热负荷功率越大,归一化流量漂移量越大。实验还给出了流量漂移量与蒸发器出口含气率正相关的曲线,表明流量漂移量与系统阻力呈高度线性关系,并证明了流量漂移过程中系统管路中出现的流型变化。

高热流散热泵驱两相流体回路设计及飞行验证

针对激光、雷达等载荷空间应用中存在的超过100 W/cm^2高热流密度散热问题,采用泵驱两相流体回路结合金刚石微槽道的方法实现了271 W/cm^2热流密度的散热。对系统设计及关键部件设计进行了研究,整个系统经过地面和在轨飞行验证,运行平稳。利用储液器控温的方式,实现了系统温度的准确控制。测试结果表明,地面和在轨飞行期间的换热及流阻相当,验证了重力无关设计的正确性。

航天遥感器用泵驱两相流体回路热真空试验研究

针对航天遥感器核心组件的高精度与高稳定度的控温需求,设计并搭建了一套泵驱两相流体回路(MPTL)试验装置,该装置使用了一套具有被动冷却能力的两相控温型储液器。为验证MPTL系统在高真空、极低温与变化外热流条件下的工作能力,在真空罐内对MPTL系统在不同工况点下的散热与控温能力进行了测试,并通过温度和压力等数据研究了主回路的运行特性、储液器内热力学变化特性及两者之间的传热传质过程。结果表明:MPTL系统的控温点可通过储液器进行快速调整,蒸发器温度的变化受外热流与热源开关影响较小;进入毛细管中的过冷液与储液器中的液相形成的温差保证了储液器冷量的供应;主回路发生相态转变时,储液器与主回路工质交换特性引起了系统压力降脉动。

低温毛细抽吸两相流体回路(CCPL)极限特性分析

分析了CCPL的极限特性 ,包括毛细限、沸腾限、粘性限、携带限和蒸气压限 ,计算结果表明影响CCPL传热能力的极限主要为毛细限和沸腾限。另外 ,讨论了影响毛细限的主要因素 ,为CCPL的设计和运行提供了依据。

泵驱动制冷剂两相回路中旋涡泵内部工作特性分析

工质泵是泵驱动两相回路的关键驱动部件,在整个系统中起着决定性的作用。为研究工质泵的内部工作特性,建立旋涡泵三维模型并提取流体域,对基于制冷剂R22的旋涡泵的工作过程进行模拟。研究结果表明:进口压力从0.95MPa增至1.25MPa,到达稳态的迭代次数缩减一半以上,最大总体积分数从0.6降至0.007;旋涡泵稳态运行时,叶轮受到的离心力作用使叶轮外边缘处总压力分布大于叶轮内边缘处约0.1MPa。叶轮汽蚀破坏区域位于泵进出口叶轮内边缘,此处是泵内叶轮待改进设计的区域。

基于两相流体的超大面源黑体控温技术

面源黑体作为红外源标在红外测温、红外成像、红外相机标定等领域广泛应用,红外源标红外辐射性能主要取决于面源黑体温度场的控制。为了适应星载和机载红外探测器大孔径、大视场角的发展需求,文中对超大尺寸面源黑体温度控制技术进行了研究。外场条件下,面源黑体会随着尺寸的增大而增加温度控制的难度,控温系统采用两相流体回路技术实现了外场3m×3m面源黑体不同目标温度下高温度均匀性、稳定性温度控制,试验结果表明,黑体表面温度均匀性控制优于±0.60℃,稳定性控制优于0.14℃/15min。

泵驱动两相复合制冷机组变频运转特性

为研究泵驱动两相复合制冷机组的工作特性,特别是换热性能随工质泵频率和室内外温差的变化规律,搭建泵驱动两相复合制冷机组的实验装置,对其进行了实验研究.在本实验装置中,蒸气压缩制冷模式分别采用2.63 k W压缩机和3.75 k W压缩机作为驱动元件,泵驱动两相冷却模式采用带变频器的工质泵驱动.结果表明:室内温度25℃、室外温度10℃时,机组换热量随工质泵频率先增大后减小,在工质泵频率为35 Hz时达到最大值;能效比(energy efficiency ratio,EER)随工质泵频率初始变化不明显,然后逐渐降低.在室外温度为0~30℃时,实验获得了2种运行模式的性能变化情况和最佳转换温度.

重力条件对稠密气固两相流动特性影响的数值模拟

基于稠密气体分子运动论和颗粒动力学,考虑颗粒与颗粒之间离散介质特性,应用稠密气固两相流动的欧拉-欧拉双流体数学模型,采用大涡模拟求解气相湍流流动,数值模拟航天环境中部分重力条件和地面重力条件下气-固反应器内稠密气固两相流体的流动行为,得到了颗粒浓度、气相和颗粒相速度以及源于颗粒间碰撞而产生小尺度颗粒脉动强度的详细分布。计算结果表明:重力条件是影响稠密颗粒流体动力特性的重要因素,重力降低有利于在系统中产生非均匀结构和增强小尺度颗粒脉动强度。

微重力下两相控温型储液器内气液界面仿真分析

两相控温型储液器对机械泵驱动两相流体回路的稳定运行起到关键作用,而储液器内部气液分布状态是其控温性能的决定性因素之一。在轨微重力条件下,储液器内两相流动特性与地面状态差别巨大,这将给储液器的设计带来较大难度。针对两相控温型储液器在轨微重力下的两相工质分布特性,通过计算流体力学(CFD)方法对其内两相流动行为进行数值模拟。通过使用连续表面张力模型计算表面张力,使用多相流计算的流体体积分数方法对两相控温型储液器内气液界面形态的发展进行了追踪预测,并与理论解进行对比,结果吻合一致。通过对两相控温型储液器在不同Bond数、接触角、工质充灌量等参数下的仿真分析,得到了不同条件下储液器内气液运动及分布情况,结果表明:两相控温型储液器内气液界面状态与储液器尺寸、壁面浸润性、工质充灌量相关。研究结果可以为微重力下两相控温型储液器内气液界面的控制提供理论依据,并能指导储液器研制及在轨应用。

CO2两相回路启动过程阶段蒸发和干烧现象分析

采用并联蒸发器作为传热元件,并联冷凝器作为散热部件,建立了包括热量收集、传递与排散的机械泵驱动两相回路集成试验系统,并对该系统的热启动进行实验研究。实验结果表明:(1)在冷工况、低热流密度的情况下,采用长程毛细管结构的蒸发器对分布式小热源进行集热时,会出现阶段性形核沸腾蒸发,并且上游过热液体形核沸腾后会导致下游出现干烧现象。(2)对于该系统,并联蒸发器相同热量同时启动是相对较好的启动方式。

微重力下离心式锥形两相洗衣机流场的数值模拟研究

针对空间站长期在轨作业时为航天员提供干净衣物的需求,提出了一种适用于微重力环境的离心式锥形两相洗衣机方案。利用FLOW-3D流体力学软件基于VOF方法对微重力环境下该洗衣机方案静态流场分布、洗涤筒/波轮旋转时的动态界面形貌、波轮和洗涤筒对流场力的作用等关键的微重力流体管理问题开展了数值分析,结果表明:洗涤筒的交替转动使流场产生翻转效应,波轮与洗涤筒同向交替运动对流场产生更大的作用力;在气压平衡口安装一种防爬的楔形结构,洗涤过程采用波轮和洗涤筒同向交替转动、脱水过程洗涤筒单向旋转,洗涤效果更好。

齿轮泵在航天两相回路中的使役特性研究

为提高航天用液氨类齿轮泵的使役性能及在机械泵驱动两相回路(MPTL)中的匹配性能,研究了基于该两相回路的用泵特点并精确计算了泵的容积效率,由泵输出流量、容积效率的输出特性得出泵转速的使役特性并进行实例运算及灵敏度分析。结果表明:液氨类介质泵的容积效率一般比较低;泵的输出流量具有与转速的正线性、压差的负线性、介质黏度的负反相关的比例特性;泵的容积效率具有与压差/转速的负线性相关特性,适宜于高速、轻载工况;泵的使役转速具有与MPTL回路流量的正线性、回路压差的负线性、回路介质黏度的负反相关的比例特性,宜用于压差/转速(流量)恒定的回路工况;案例的介质黏度小于0.00419 Pa s的区域为压差敏感的低黏度区,否则为流量敏感黏度区。所得结论为液氨类航天用泵的进一步研究与开发,提供了理论依据。

两相控温型储液器进出流量的瞬态数值模拟

两相控温型储液器是泵驱两相流体回路(MPTL)系统中的一个重要部件,承担着工质存储、供给、气液分离及精密控温的作用。采用Navier-Stokes方程建立了MPTL系统瞬态模拟的仿真模型,可用于研究热源功率变化时储液器与主回路的动态传热和传质特性。通过仿真与试验对比发现,数值模型的流量误差在±10%以内,验证了模型的有效性和准确度。数值模拟结果表明:热源开关机时,储液器与主回路发生工质交换,气液两相的温度和压力受到影响,系统的流阻也受到影响;随着热源功率的增加,工质交换速率和交换总量随之增加,储液器内气液两相的温度和压力变化趋势随之增大。该模型可用于研究不同工作条件下的流量、温度和干度的变化特性,指导MPTL设计,并在系统搭建前预测系统特性。

空间大功率热源两相温控系统设计与仿真

为解决未来空间应用中大功率热源带来的温控问题,提出了集微槽道蒸发器、相变装置和热辐射器在内的泵驱两相流体回路热排散系统方案,在此基础上开展了系统仿真工作,对流体回路运行特性和温控能力进行了研究。仿真结果反映了大功率热源短时工作条件下两相流体回路温度、饱和压力和干度的变化特征,两相流体回路工作特性符合设计预期,60 kW分布式大功率热源峰值温度能够控制在70℃以下。对泵驱动能力过剩所带来的不利影响进行了仿真分析,得出了泵驱动能力过剩导致两相回路系统温差增大的结论。分析了蒸发器和相变装置换热性能对温控系统的影响。蒸发器换热性能降低后,热源温度将超出要求范围;相变装置换热性能降低后,泵可能受到气蚀影响。

高热流密度航空电子泵驱两相流冷却系统实验研究

航空应用领域正面临着高功率、高热流密度的电子设备冷却难题,传统的单相液冷散热方式已无法应对大于100 W/cm^(2)热流密度的散热需求。本文搭建了泵驱动两相冷却系统地面实验台并设计了系统控制策略,测试系统在多种散热工况下的散热能力和阻力特性并归纳数学模型。结果表明:机械泵驱动两相散热系统散热性能良好,设计的紫铜材质冷板可有效应对热流密度为120 W/cm^(2)的6 kW集中热源。泵驱两相系统可有效冷却10 kW的热源,在相同的运行状态下所需工质质量比单相散热系统所需工质质量减少70%。发热元件表面温度可以稳定在63~70℃之间,满足芯片表面温度要求,且蒸发器整体的温度均匀性良好,各支路间温差在5℃以内。系统相变段阻力在400 kPa以下,阻力特性可由Kim和Mudawar模型描述。

航天遥感器用机械泵驱动两相流体回路工作特性试验研究

为了提高航天遥感器的成像指标,光学探测器组件在工作期间需满足较低温度变化和较高温度稳定度的条件,传统的热控产品逐渐难以满足大功率探测器组件的精密控温要求.机械泵驱动两相流体回路(MPTL)具有控温精度高、传热距离远、传热功率大等优点,特别适合航天遥感器的高精度热控.为了深入研究核心探测器组件开机和关机时对MPTL系统工作特性的影响,本文搭建了航天遥感器用MPTL模拟实验装置,该装置使用具有被动冷却功能的两相控温型储液器作为系统的控温组件,并采用屏蔽式离心泵作为系统的驱动装置.本文通过温度、压力、流量等数据研究了储液器内部热力学变化特性、主回路与储液器之间的传热传质过程以及系统主回路的运行特性.本文重点关注了系统相态转变过程、热源开机和关机时系统的不稳定现象,并提出了减小系统不稳定性的措施.本文还研究了热源功率变化时系统主回路与储液器的工作特性.结果表明,被动冷却型储液器内气相和液相形成了一定的温差,通过温差保证了储液器冷量的供给;热源正常工作期间,蒸发器温度的稳定性和均匀性较好,为相机的稳定成像提供了良好的边界条件;热源开机和关机时,储液器内温度和压力、系统的流量和流阻会发生变化;预热器加载功率的变化会影响系统相变转变过程的稳定性;热源功率的变化会对储液器和主回路的工作状态产生影响.本文研究对航天相机用MPTL系统的设计和应用具有指导意义.

嫦娥三号两相流体回路的地面试验验证方法及试验结果分析

两相流体回路在我国嫦娥三号月球探测器上的应用是全球航天器热控系统设计上的首次尝试,两相流体回路利用月球g/6重力驱动,无需电源供给,在长达14 d的月夜工况下,有效利用同位素热源解决了着陆器和巡视器内的仪器温控难题.回路研制过程中遇到了传热性能无法在地面得到真实模拟的技术难题,本文以巡视器两相流体回路为例,建立了g/6重力驱动两相流体回路传热性能的地面模拟方法,给出了地面真空热性能试验验证结果并进行了分析.