航天机械泵驱动两相流冷却环路循环特性的研究

论文摘要

机械泵驱动两相流冷却系统(MPCL)是一种新型的主动式航天热控冷却技术,该技术与毛细泵热管或者环路热管有很多相似的地方,均是采用两相流将电力电子设备或者发热元件所产生的废热排放出去。本论文首先对系统设计和地面实验台的搭建进行介绍,本研究以二氧化碳为循环工质,以机械泵为驱动力,最大散热量可以达到1000瓦。本文首先对系统循环工质的选择进行理论分析和计算机模拟。在理论分析中提出了MPCL系统工质选择的基本依据。在模拟计算中,采用Sinda/Fluint软件建立系统的计算机模型,模拟氨、丙烯和二氧化碳三种常用工质的运行特性,结果表明:在目前散热量小于1000W的航空主要应用背景下,氨的循环工质量较少,稳定性和机械泵流量的控制方面效果较差;丙烯由于沿蒸发段的温度梯度大,因此等温性差;二氧化碳在散热量小于1000瓦的条件下具有较大的优势,主要因为循环阻力较小,泵的能耗和压头较小。此外其热物性品质较高,液/气密度比较小,使得蒸发段的温度梯度大大减小,更适合于散热区域分散或等温化程度要求较高的设备使用。接下来的实验研究主要包括系统的启动、工作点的控制以及稳态和瞬态的运行特性分析。其中启动过程是MPCL两相系统运行的基础,实验部分首先对启动过程的动态响应进行分析。MPCL系统的启动主要分为压力稳定阶段、机械泵启动和加载热负荷三个基本过程。实验结果表明,在机械泵启动过程中,系统的蒸发段将出现过热现象,在过热的亚稳态向两相态闪蒸的同时对系统产生力脉冲(系统绝对压力激增)和阻力脉冲(泵前后的差压激增)。其中过热度的大小与设定温度、流量和热流密度等条件有关,启动温度越高,过热度越小;热流密度越高,过热时间越短,阻力脉冲越大;流量越大过热时间变长,阻力脉冲越高。为了减小阻力脉冲,实验还发现采用高热流密度预热器的方法可以有效的减小阻力脉冲。在随后关于MPCL系统工作点的温度控制方面研究发现采用半导体制冷片和主回路支路协同工作的方案是目前该类系统的最优控温方法。实验结果表明,该方法使得储液器的控温精度达到±0.1℃,在制冷片10瓦的输入功率下降温速度提高到0.36℃/min,较常用控温方案既保证储液器的控温精度和降温速度又提高了半导体制冷片的工作效率。在系统的运行特性研究中,实验重点是研究稳态运行和瞬态运行的工质散热及循环规律,寻找决定系统稳定性的影响因素。研究内容包括边界条件恒定与边界条件周期性变化实验、变流量或热负荷实验、系统支路热负荷不平衡性实验等。结果表明,系统具有较高的可靠性,当外界扰动发生时,系统通过自身调整很快进入稳定状态。其中,储液器的设计和系统工质的充灌量在很大程度上决定了系统的稳定程度,当运行参数或者边界条件发生改变时,储液器和主回路之间将发生液体的交换,系统的主要压力与温度参数将发生改变,当储液器内的汽液相界面稳定到新的位置,系统进入稳定状态。综上所述,在机械泵和储液器合理设计的前提下,只要保证泵的入口为液态、蒸发段的出口干度小于0.5、冷凝器有足够的放热能力而温度小于循环工质的三相点,系统就能够稳定可靠的运行。该类系统具有等温性高、传输距离远、可控性强、多支路运行等特点,并且同毛细泵相比较在启动、工作点控制和处理瞬态扰动及热负荷不平衡问题方面有较为明显的优势。以二氧化碳为循环工质大大降低了蒸发段的温度梯度,减小了系统的设计尺寸,提高了运行的稳定性和可靠性,在保证散热的同时又使得系统的结构和能耗得到进一步优化。总之,机械泵两相冷却系统将成为未来空间主动式热控系统的发展趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 测试系统传感器编号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与课题来源
• 1.2 研究的意义和研究目的
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 研究目的
• 1.3 研究现状与文献综述
• 1.3.1 航天电子设备热控技术的发展概述
• 1.3.2 航天主动式流体环路冷却技术的发展现状
• 1.3.3 航天机械泵驱动两相冷却系统的发展现状
• 1.4 MPCL 系统存在的问题和本文的主要工作
• 第二章 MPCL 系统工质选择分析与计算机模拟
• 2.1 MPCL 工质选择依据研究
• 2.1.1 工作温度范围和安全性
• 2.1.2 运行的稳定性
• 2.1.3 蒸发段的等温性
• 2.1.4 工质的热量传递特性
• 2.1.5 MPCL 系统的理想循环工质——二氧化碳
• 2.2 工质选择的计算机模拟
• 2.2.1 计算软件 Sinda/Fluint 介绍
• 2.2.2 建模与求解方法的总体分析
• 2.2.3 系统模型涉及的两相问题求解方法分析
• 2.2.4 工质循环分析与系统模型建立
• 2.2.5 不同工质的运行模拟与分析
• 2.2.6 模拟计算小结
• 2.3 本章小结
• 第三章 MPCL 系统的地面实验台研究
• 3.1 MPCL 系统实验台的搭建
• 3.1.1 实验系统的基本组成
• 3.1.2 系统主要部件设计
• 3.1.3 测试系统的组成
• 3.2 实验方法研究
• 3.2.1 外部参数控制
• 3.2.2 内部参数的控制
• 3.3 实验条件
• 3.3.1 系统传感器标定
• 3.3.2 系统充灌
• 3.3.3 系统的检漏
• 3.4 实验基本步骤
• 3.5 本章小结
• 第四章 MPCL 系统启动特性的实验研究
• 4.1 正常启动基本过程特性分析
• 4.1.1 系统整体特性
• 4.1.2 启动过程并行蒸发器平衡性分析
• 4.2 启动条件与过热度的关系分析
• 4.2.1 启动温度与过热度的关系
• 4.2.2 热流密度与过热度的关系
• 4.2.3 质量流量与过热度的关系
• 4.2.4 减小过热影响的方法研究
• 4.3 蒸发段管路内为气态的启动研究
• 4.3.1 系统温度特性
• 4.3.2 系统压力特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 MPCL 系统温度工作点的控制研究
• 5.1 系统工作点控制的必要性和控温原理
• 5.2 控温方案的初步实验研究
• 5.3 储液器温度控制的改进
• 5.3.1 设计方案比较
• 5.3.2 半导体制冷片降温实验
• 5.4 改进控温设计后的控温实验
• 5.4.1 低设定温度下的控温实验
• 5.4.2 高设定温度下的控温实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 MPCL 系统运行特性的实验研究
• 6.1 系统稳态运行实验
• 6.1.1 定边界条件的运行特性实验
• 6.1.2 边界温度周期变化时系统的特性实验
• 6.1.3 稳态运行特性实验小结
• 6.2 系统瞬态特性实验
• 6.2.1 系统变流量过程的特性实验
• 6.2.2 定边界条件变热负荷过程的特性实验
• 6.2.3 周期温度变化边界条件下变热负荷过程的特性实验
• 6.2.4 并行蒸发器热负荷的不平衡特性实验
• 6.2.5 瞬态特性实验小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 对航天 MPCL 未来设计的几点建议
• 7.3 本文主要创新点
• 7.4 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文