抗過載兩相流換熱器設計概念研究

《抗過載兩相流換熱器設計概念研究》是依託北京航空航天大學，由謝永奇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：抗過載兩相流換熱器設計概念研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：謝永奇
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

隨著高性能飛行器技術的發展，大批高集成度大功率電子設備裝機，使環境控制系統的製冷載荷急劇增加。傳統的空氣循環式製冷系統已很難滿足現代飛行器高功率密度電子設備的冷卻要求。我國高性能戰鬥機及其它高超聲速飛行器的發展，迫切需要為機載電子設備提供一個合適的工作環境，機載蒸發循環製冷系統的研發勢在必行。但過載加速度環境下兩相流的複雜性成了蒸發循環製冷系統發展的瓶頸，進而影響了其在航空航天技術上的套用。本項目提出了採用特定結構的螺旋傳熱管代替傳統飛行器上簡單平直傳熱管的設計概念，以期利用液體工質在具有一定曲率和結構的螺旋管中流動所產生的離心力，驅使液體工質在通道內形成二次渦流，從而克服加速度環境影響，防止液體涌塞和斷流，使換熱壁面始終維持潤濕狀態，並獲得高傳熱係數。通過實驗及核心機理模型的研究，深化對過載加速度場中傳熱機理的認識，獲得抗過載兩相流換熱器設計的科學依據。

結題摘要

隨著高性能飛行器技術的發展，大批高集成度大功率電子設備裝機，使環境控制系統的製冷載荷急劇增加。傳統的空氣循環式製冷系統已很難滿足現代飛行器高功率密度電子設備的冷卻要求，機載蒸發循環製冷系統的研發勢在必行。但過載加速度環境下的兩相流的複雜性成為了蒸發循環製冷系統的發展瓶頸。本項目提出採用特定結構的螺旋傳熱管代替傳統飛行器上簡單平直傳熱管的設計概念，利用液體工質在具有一定曲率和結構的螺旋管中流動所產生的離心力，來抵消過載加速度的影響。2011年完成有關準備工作，包括金屬和玻璃螺旋管的加工，實驗所需試劑採購，實驗儀器、設備的配套和調試，進行地面重力場下螺旋管兩相傳熱與流動實驗特性以及流動可視化的初步研究。2012年完成地面重力場環境下螺旋管內兩相流動與傳熱特性實驗研究。2013 年完成了過載加速度環境下螺旋管內兩相流動與傳熱特性實驗研究，並進行了核心機理模型研究以及實驗關聯式的擬合。整個實驗在具有2m長轉臂的離心機上進行，其最大能提供11g的離心過載加速度。流體的質量流速為40~200kgm-2s-1。乾度為0至50%。首先對過載下的沸騰兩相流進行了流型觀測，主要觀察到了泡狀流、波狀分層流、彈狀流、波環狀流、超大氣彈流、攪拌流以及滯止孤立氣泡流等流型，其中滯止孤立氣泡為過載下特有的現象。實驗中分析了壁面過熱度以及對流換熱係數，結果表明加速度會顯著增加壁面過熱度，尤其在低乾度和低流速工況。在離心加速度下，徑向布置方式安裝的螺旋管中對流換熱優於軸向布置，表現為對流換熱係數的升高。本項目還分析了不同加速度大小對壁面過熱度的影響，隨著加速度值的增大，壁面過熱度會升高，但在6g以下並不明顯，在大於6g的加速度下，尤其是在軸向布置方式下，壁面過熱度有明顯升高，這有可能導熱傳熱惡化。在壓力方面，過載加速度對管內流體壓力的影響除了會使進出口壓力突然增大外，在某些工況下也會出現壓力波動的情況，分析了出現波動的實驗工況特點。實驗結果中還總結了抗過載機理，流體在螺旋管中流動時，由於流道存在一定曲率，管壁會對流體產生指向螺旋軸心的向心力作用，如果此向心力和加速度在同一平面內，則在一定程度上可以減輕加速度對流動與傳熱的影響。項目研究成果可為我國下一代高性能軍用機機載蒸發循環製冷系統設計提供重要數據支撐，對於促進下一代高性能軍用機的綜合化、多電化，提高機載光電設備的性能和可靠性具有重要意義。