空间两相环路热控系统的动力学特性

针对两种典型的两相环路热控系统——毛细力驱动的平板型环路热管和机械泵驱动的两相环路热控系统(硅微条探测器控温系统,TTCS)展开讨论,分析其工作原理,介绍地面测试实验系统,使用SINDA/FLUINT和Maltab/Simulink软件分别建立其动态模型.研究结果表明,平板型环路热管和TTCS均存在启动问题;平板型环路热管运行时可能有较严重的稳定性问题,而TTCS的稳定性相对较高;重力对平板型环路热管的性能有较大影响,TTCS受重力的影响不大;双通道平板型环路热管可以比单通道环路平板型环路热管有更优异的传热性能,而TTCS的双辐射器结构可以有良好的流量和热量自调节能力.在选择两相环路热控系统时,需考虑热源的分布特点、寿命要求、控温要求以及系统尺寸和质量等因素,这两种两相热控技术未来可交叉借鉴、优势互补.

空间两相流体装置地检系统设计

设计了一种空间两相流体回路实验装置地检系统,用以在地面上模拟两相流体实验过程,验证两相实验装置的可靠性和稳定性。针对两相流体的相变过程和输运过程特点,提出一种新型的差分式热电偶测温方案和基于大功率H桥的Peltier控温解决方案。以STM32F4芯片为控制核心,搭建由传感器模块和执行器模块等组成的硬件系统,并完成Lab VIEW监控平台的开发。对地检系统和两相装置进行地面联调,实测表明该系统稳定可靠。

二氧化碳两相冷却系统的特性

将CO2作为新型机械泵驱动两相流冷却系统的循环工质研究其在两相区的工作特性.在对该系统的各个重要组成器件和工作原理进行阐述后,通过实验对系统在变热负荷变流量条件下的动态响应特性进行研究,并由实验数据对储液器与主回路之间的热质交换进行分析.结果表明:由于系统参数和边界条件的改变引起储液器内气液相界面的震动,使得系统的绝对压力有所变化,从而引起储液器内处于两相状态工质温度的变化,而储液器的温度决定了蒸发器的温度,所以在流量改变和热负荷变化的时候蒸发器内工质会产生温度的脉动;由于CO2具有稳定的化学性质和良好的热力学特性,特别是在饱和态下比其他制冷剂更小的液/气密度比,使其作为机械泵驱动环路式热管系统的循环工质不仅减小了系统的设计体积和质量,而且能够实现长距离复杂回路小温度梯度均匀的散热效果和稳定的工作状态.

机械泵驱动两相冷却系统启动特性的实验研究

机械泵驱动两相冷却系统是一种以机械泵为驱动力的封闭式相变传热设备。该研究首先对该系统启动的加热增压、机械泵启动和热载启动三个阶段进行实验分析,并通过系统各主要参数的变化发现启动过程中将产生液体过热现象,并且有较大的压力冲击。然后通过大量实验对与过热度有关的启动温度、流量和启动热负荷进行比较分析,得出启动温度越低,产生的过热度越大的结论。最后对蒸发段在气态条件下启动进行实验研究,结果表明此时过热度要大于液体启动的过热度。

并行蒸发器机械泵驱动两相冷却系统特性的实验研究

机械泵驱动两相流冷却系统是一种新型的航天电子发热元件的冷却环路,其实验研究较少。文章通过启动实验和周期性边界实验对系统基本特性进行研究,结果表明:启动过程蒸发段上下两侧保持稳定状态,工质在各蒸发器支路温度都呈现从液态单相到过热液态再到两相的变化趋势,并且过热时间略有不同,这主要是由于管路布局不同和以及重力作用的影响;周期边界温度变化实验表明即使在冷凝器的边界温度波动超过30℃的条件下系统仍然保持良好的散热,并且在总长度约12米的蒸发段保持小于0.5℃温差。

两相冷却系统过热现象与启动温度关系分析

在以二氧化碳为工质的新型空间两相流冷却系统-机械泵驱动两相流冷却系统的实验过程中发现,在热量加载的同时在蒸发器出口将有过热现象产生。进一步的实验研究得出结论当启动过程蒸发温度越低,蒸发器出口的过热度也就越大,同时从过热状态变为两相状态所产生的压力脉冲也越大。通过经典核化理论的角度分析指出该现象的产生主要和工质的物性有关,又统计物理学和动力学成核理论方面分析指出随着蒸发温度的升高,核态沸腾产生气泡的直径变小,所以需要更少的热量就能推动从过热的亚稳态到更加稳定的两相状态的转变。

二氧化碳两相回路启动时的压力脉冲现象及其抑制

机械泵驱动的二氧化碳两相回路热控系统在热载荷启动时,由于蒸发段的液-汽相变需要形核而容易造成过热。本文介绍了这部分的启动实验,结果发现,采用长程毛细管结构的蒸发器对分布式热源进行集热时,在冷工况、高热载荷、低热流密度的情况下会因液—汽相变导致压力脉冲。实验还给出了简单有效的方法抑制这种脉冲的影响。

机械泵驱动回路式热管阻力特性的试验研究

在空间应用的背景下由于热源发热量增加、热流密度的增大以及散热回路日趋复杂,用机械泵为驱动力的回路式热管系统逐渐引起各国热控科研人员的重视。阻力特性直接影响到散热系统工作性能,文中首先对该技术的工作原理及系统阻力进行计算分析,并在以CO2为循环工质的试验台上对系统的阻力特性进行试验研究,结果证明以机械泵为驱动力的环路式热管系统质量流量与系统压降为单调二次对应关系,与单相循环系统的阻力曲线形式较一致,从而使得系统具有运行稳定可靠和高控温精度的特点。

机械泵两相冷却系统过热现象的实验研究

机械泵驱动两相冷却系统是一种以机械泵为驱动力的封闭式相变传热设备。在对该系统进行研究过程中发现,当启动蒸发器热负荷时,在蒸发段出口将产生明显的过热现象,并且有较大的压力脉。通过对大量实验对与过热度有关的启动温度、流量和启动热负荷进行比较分析,得出启动温度越低,产生的过热度越大的结论:启动温度越低,启动需要的过热度相对要大;其次,热流密度越大,过热时间维持的越短;最后,从过热状态到两相状态的闪蒸过程将系统的阻力发生较大变化,流量越大压力脉冲越高。

一种应用在航天回路热控系统上的二氧化碳两相冷凝器防冻设计的数值模拟

在航天回路热控系统的设计过程中,由于涉及到复杂的太空热流环境,以及真空,微重力等因素,仅仅依靠地面试验,有时难以真实模拟太空环境,此时就需要利用数值模拟的方法为设计提供参考依据。本文介绍了利用SINDA/FLUINT模拟的方法,对一种应用在主动式热控回路上的冷凝器进行流向择优设计和散热分析,得出对这种冷凝器/辐射器防冻的较优方法。

一种应用在航天探测器上的二氧化碳两相回路热控系统冷凝器的设计优化

阿尔法磁谱仪中的轨迹探测器是探测空间反物质的核心探测器,它工作于由超流液氦冷却的超导磁体的中心,其正常运作需要体积小、散热及温控能力强的热控系统的支持,以应对国际空间站上复杂的太空热流环境及真空、微重力等因素.介绍了利用SINDA/FLUINT模拟方法,对轨迹探测器的热控系统冷凝器进行设计优化.

并行蒸发器两相冷却系统支路散热不平衡性的实验研究

对并行蒸发器机械泵驱动两相流冷却系统各个支路散热量不平衡条件下散热特性进行实验研究,结果表明并行蒸发段各支路的流量分配同管路的阻力有关,当上下两侧蒸发器的热量不平衡时,质量流量的分配始终是一个动态的变化过程,其中,热负荷较大的一侧,阻力不断增加,流量逐渐减小,而热负荷较小的一侧流量在不断变大,并且热量差越大,流量差变化越快;当减小并行支路的热量差有利于蒸发段的散热平衡,热量差越小,系统散热稳定性越强。同毛细泵驱动的两相冷却系统相比,机械泵驱动的两相流冷却系统的散热性好,等温性高,热不平衡处理能力强,并行支路热负荷之差可以达到100多倍,并且能够保持较长的稳定运行。

机械泵驱动冷却回路在模拟航天温度边界下散热能力分析

对机械泵驱动两相冷却系统在模拟太空工作的边界问题条件下散热能力和工作特性进行实验研究,从而得到结论:当系统的热负荷较小而边界温度较低时,放热量变大使系统平均温度降低,造成蒸发段温度无法控制,冷凝器的温度也可能会降到低于工质的凝固点冻结,冷凝段管路也将因固态工质堵塞而无法循环,此时需采取降低储液器设定温度的方法来减小系统的放热量。当系统的热负荷较大而边界温度较高时,系统在冷凝器的放热量较小而使得热负荷无法完全释放时,系统的平均温度上升,造成泵的入口温度达到工质的饱和温度,产生的气泡有可能会对机械泵内的部件产生气蚀,并引起机械泵工作不稳定,无法保证设定的流量循环。实验结论为该类系统的设计与应用提供了可靠的依据。

机械泵驱动两相冷却系统工作点温度控制

对系统的控温原理和主要方法进行理论阐述,从而确定采用对储液器温度的主动式控温方法实现对蒸发段工作温度的控制思路。提出"回路直接冷却"和"半导体制冷片——系统回路协同工作"这2种储液器温度控制方法,并且对其控温精度和降温速度等技术进行实验研究。结果表明,改进前,采用"冷回路"向储液器漏热并结合加热器实现温度控制的设计方案控温精度仅为±0.4℃,且在需要快速降低蒸发段工作温度时较难实现;改进后,采用半导体制冷片同系统管路协同运行的方法不仅可控性大大增加,而且降温速度从原来的0.12℃/min提高到0.36℃/min。在模拟外太空边界温度波动幅度的条件下,改进前、后温度控制方法蒸发段的控制精度分别为±0.4℃和±0.1℃,从而克服了该类系统在工作温度控制中降温速度慢、控温精度低的缺点,并可推广到热管、毛细泵驱动回路等类似的航空航天两相冷却系统中。

面向可热插拔式通讯机柜的两相自然循环系统的能力研究

对为解决高集成、高功率的通讯机柜的散热要求,设计了一种利用R22为工质,基于相变和自然循环散热技术,面向可热插拔通讯机柜的散热方案,并按照实际通讯机柜尺寸搭建了一套实验系统。通过模拟实际通讯模块的运行环境,进行了实验,结果表明:系统在没有额外驱动、冷却水温度在低于28℃的情况下,具备了3000W以上的散热能力,并能满足模拟电子设备的模块侧温度不超过65℃的要求。此外,非平衡热载荷的测试结果表明,非平衡载荷的启动、变化等情况不影响系统的稳定运行,说明该系统可以满足通讯模块载荷发生变化和热插拔等实际应用的需求。

掺锗单模光纤布拉格光栅γ辐照损伤实验

为开发光纤布拉格光栅在空间环境温度及应变的测量的应用,有必要对其在空间辐射环境下的性能变化规律进行研究。基于色心模型,从理论上分析了电离辐射对光纤布拉格光栅传输性能的影响。采用^(60)Co-γ辐射源对两根布拉格中心波长分别为825 nm和835 nm的掺锗单模光纤布拉格光栅进行了总剂量为1.01×10~6rad的电离辐射实验。实验结果表明,随着辐照剂量的增加,光纤布拉格光栅反射谱的峰值波长发生了红移现象,光栅的折射率增加。经过总剂量1.01×10~6rad辐照后,布拉格中心波长825 nm和835 nm的峰值波长分别增加了0.070 62 nm和0.074 15 nm。实验结果与色心模型推导出的光栅有效折射率与辐射剂量的函数关系式相符合;为光纤布拉格光栅在空间环境温度及应变测量的运用提供数据基础。

多舱耦合流体系统在功耗调配模式下的模拟分析

结合某种航天器,设计了一种多舱耦合的集成式热管理的流体回路系统。介绍了该系统的结构和功耗调配模式、流体回路热耦合方式,运用商业软件SINDA/FLUINT建立回路的流体和热模型,对不同功耗调配模式下流体回路不同热耦合方式进行分析。模拟结果表明,该回路最佳的工作模式为中、低温功耗调配与中温回路热耦合相结合,在这种工作模式下,调配效率可保持在η≈1,即功耗调配量与热耦合的传递热量总能近乎相等。

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。

机械泵驱动两相回路的储液器控温策略研究

本文阐述了一种机械泵驱动两相回路的储液器的控温原理,并对待选的两种控温策略进行了解释:一种是基于电压的PI控制,另一种是基于功率的PI控制。文中将它们作了近似等效转换,并用SINDA/FLUINT软件进行模拟。结果显示:当控温点上升时,两种不同控制策略的控温效果大体一致;但当控温点下降时,由于基于功率的PI控制策略包含有Peltier的制冷功能,可以比基于电压的PI控制策略更快到达控温点。另外,基于功率的PI控制策略在死区内的跳跃更少,其应当为优先选择的控制策略。

机械泵驱动两相回路的实时动态模型分析

在航空航天领域,为了加速系统设计及测试进度,通常需要进行半实物实时仿真,即控制器用实物,受控对象采用数学模型。本文开发出了基于Matlab/Simulink的两相传热模块,并用其搭建了某机械泵驱动两相回路的实时动态模型。通过与实验的对比,验证了模型的可靠性,表明该模型满足实时要求,可以在下一步用于半实物仿真。