论文题目: 毛细泵回路流动与换热机理研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 工程热物理
作者: 钱吉裕
导师: 宣益民
关键词: 毛细芯,反重力,蒸发器,模型
文献来源: 南京理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 毛细泵回路(CPLs)和环路热管(LHPs)是一类两相热传递装置，它利用蒸发器中毛细芯的毛细力驱动工质流动，具有传输距离远，传输功率大，温差小等特点。CPL和LHP被认为是未来航天器最有前途的一类热控装置。 这篇论文的目的是研究小型化CPL及LHP蒸发器和整个系统的运行机理，优化设计整个系统以及对实验系统经行地面实验研究。研究的主要内容包括： 1．毛细芯和蒸发器的数值模型研究 建立了毛细芯内二维数值模型，该模型包括耦合的热力学和动力学模型。利用该模型可以方便得到毛细芯内的温度场，速度场，可以较精确地跟踪汽液界面的位置。模型揭示了毛细芯的工作机理。利用商业软件FLUENT等建立了蒸发器的三维数值模型，并利用该模型分析了不同结构蒸发器内的流动与换热过程，数值结果对CPLs和LHPs的设计起到了良好的指导作用。 2．系统数值模型研究 建立了描述LHP稳态运行特性的数值模型，分析了影响系统工作温度的若干关键因素，包括热沉温度，环境温度以及反重力高度等。建立了描述CPL系统热力学和动力学特性的瞬态模型，并利用该模型结果分析了系统启动容易失效、突然改变热流密度会导致蒸发其供液不足(Depriming)等原因。模型还揭示了储液罐温度的波动对CPL系统运行的稳定性非常不利。 3．CPLs和LHPs用高性能毛细芯的研制 采用粉浆浇注法和冷压法制备毛细芯型坯，氢气还原气氛烧结出了CPLs和LHPs用高性能毛细芯。实验详细研究了不同烧结参数，如坯密度、烧结温度、烧结时间等对毛细芯孔隙率、孔隙尺寸、机械强度、变形率等影响。毛细芯性能测试参数及电镜照片(TEM)结果均表明：研制出的毛细芯性能优越，孔隙率超过了68％，有效毛细孔径约0.7μm，同时具有机械强度高，变形率小等特点。分析结果表明，该高性能毛细芯可以显著地提升CPLs和LHPs的性能。 4．CPL和LHP系统的运行特性研究 针对当前航天器的热控要求设计了三套小型化CPL系统和一套LHP系统，并进行了地面实验研究，研究内容包括：系统启动特性、热流密度突变特性、周期热源条件下热特性以及不同姿态下系统热特性等等。实验结果表明，当前设计的CPL和LHP系统具有高性能和高可靠性的特点；同时实验结果也揭示了：CPL储液罐温度波动、蒸发器结构以及有效毛细抽力是影响系统性能最关键的几个因素。实验还重点研究了
论文目录:
摘要
ABSTRACT
主要符号说明
1 绪论
1.1 研究的背景和意义
1.2 CPL和 LHP系统工作原理简介
1.2.1 CPL系统工作原理
1.2.2 LHP系统工作原理
1.3 国内外研究现状
1.3.1 CPL技术的发展概况
1.3.2 LHP技术的发展概况
1.3.3 国内CPL和 LHP技术的发展概况
1.4 本文工作简介
2 蒸发器工作机理研究
2.1 毛细芯内流动与换热的ZD数值模型
2.1.1 模型简介
2.1.2 结果及分析
2.2 蒸发器内流动与换热的3D数值模型
2.2.1 模型简介
2.2.2 结果及分析
2.3 本章小结
3 系统动力学与热力学特性的理论分析
3.1 系统稳态特性分析
3.1.1 系统运行特性
3.1.2 LHP系统稳态模型
3.1.3 结果及分析
3.2 系统瞬态特性分析
3.2.1 系统模型简介
3.2.2 结果及讨论
3.3 本章小结
4 CPL和 LHP系统的优化设计
4.1 高性能毛细芯的研制
4.1.1 型坯的制备
4.1.2 烧结参数对毛细芯性能影响的研究
4.1.3 两种制备方法的对比
4.2 CPL及 LHP系统结构优化设计
4.2.1 蒸发器
4.2.2 冷凝器
4.2.3 储液罐
4.2.4 工质的选择
4.2.5 充装系统及充液率
4.3 本章小结
5 毛细泵回路系统实验研究
5.1 CPL系统初步实验研究
5.1.1 实验装置简介
5.1.2 启动特性分析
5.1.3 功率突变对系统的影响
5.1.4 周期性热负荷对系统性能的影响
5.1.5 反重力性能
5.1.6 储液罐温度改变对系统性能的影响
5.1.7 充液率对系统性能的影响
5.1.8 温度波动分析
5.1.9 实验小结
5.2 优化后的CPL系统实验研究
5.2.1 CPLIII系统简介
5.2.2 水平条件下的实验分析
5.2.3 反重力条件下的实验分析
5.2.4 温度波动分析
5.2.5 实验小结
5.3 LHP系统实验研究
5.3.1 实验装置简介
5.3.2 启动特性
5.3.3 功率突变对系统性能的影响
5.3.4 反重力性能
5.3.5 不同姿态的启动及运行特性
5.3.6 周期性热负荷对系统性能的影响
5.3.7 温度波动分析
5.3.8 蒸发器温度与热负荷的关系
5.3.9 实验小结
5.4 本章小结
6 毛细芯内流动与换热的介观数值模拟探索
6.1 引言
6.2 格子—Boltzmann方法简介
6.3 多孔毛细芯中格子-Boltzmann流动模型
6.3.1 模型简介
6.3.2 模型的验证及可行性分析
6.4 多孔毛细芯中格子—Boltzmann热力学模型
6.4.1 格子-Boltzmann导热模型
6.4.2 格子-Boltzmann对流扩散模型
6.5 基于图像分析和傅立叶变换的三维毛细芯重构技术
6.5.1 理论基础
6.5.2 三维多孔毛细芯的重构过程简介
6.5.3 3D多孔毛细芯的重构实例
6.6 格子-Boltzmann模型并行计算的实现
6.6.1 消息传递接口MPI简介
6.6.2 基于 MPI的格子-Boltzmann并行模型的建立
6.7 本章小结
7 结语
7.1 主要研究结论
7.2 主要创新点
7.3 下一步研究设想
致谢
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参考文献
发布时间: 2006-12-06
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