真空閃蒸冷卻的傳熱機理及熱控準則關係研究

《真空閃蒸冷卻的傳熱機理及熱控準則關係研究》是依託中國科學技術大學，由程文龍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：真空閃蒸冷卻的傳熱機理及熱控準則關係研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：程文龍
• 依託單位：中國科學技術大學

項目摘要

閃蒸是得到廣泛套用的一種物理現象。真空閃蒸冷卻由於其散熱能力強、所需工質少、重量輕等優點，是航天領域正在發展的一種先進熱控技術。針對真空閃蒸冷卻中存在的噴霧液滴閃蒸和液膜閃蒸兩個過程，本項目從實驗和理論兩個方面對其傳熱特性和傳熱準則展開研究：通過對噴霧液滴閃蒸的實驗研究，分析噴霧初始參數及液滴行程對噴霧特性的影響，並得出相關的準則關係式；通過對整個真空閃蒸冷卻的實驗研究，得出真空閃蒸冷卻傳熱特性的準則關係式；分別建立噴霧液滴閃蒸和液膜閃蒸的理論模型，並在此基礎上，對真空閃蒸冷卻的傳熱機理進行系統分析，重點研究噴霧液滴閃蒸對總體冷卻效果的影響機理；在上述研究的基礎上，針對太空飛行器熱控對重量的嚴格要求，得出在真空閃蒸冷卻過程中基於工質流量最小的傳熱準則關係。該項目的預期研究成果，不僅為真空閃蒸冷卻在太空飛行器熱控方面的套用提供實驗和理論基礎，也對其他領域的閃蒸技術研究和套用具有重要參考價值。

結題摘要

真空閃蒸噴霧冷卻是利用液體工質在低壓環境下迅速閃蒸吸熱的特點來冷卻加熱表面的新型噴霧冷卻方式，其充分利用工質潛熱，散熱能力強，在航天熱控方面有廣闊的套用前景。真空閃蒸冷卻過程包括噴霧液滴閃蒸過程和被冷卻表面的液膜閃蒸過程兩部分, 其中噴嘴的噴霧特性對液滴閃蒸具有重要影響，而液滴的閃蒸現象反過來改變到達被冷卻表面的液滴霧化參數，並進一步影響到被冷卻表面液膜的形成，從而影響被冷卻表面的傳熱特性，其換熱過程十分複雜。項目組利用理論和實驗相結合的方法，研究真空閃蒸冷卻過程中傳熱特性以及各參數對傳熱特性的影響機理。 項目組分別建立了以R134a為工質和以水為工質的閃蒸噴霧冷卻換熱模型以及閃蒸冷卻實驗平台，對閃蒸冷卻的換熱特性進行了研究，從整體上研究了真空閃蒸冷卻的換熱性能及其影響參數。實驗研究結果表明，真空閃蒸噴霧冷卻的流量需求非常小，是噴霧冷卻的1/3，液滴壁撞擊傳熱和液膜閃蒸蒸發熱量轉移在真空閃蒸噴霧冷卻中占主導地位，與傳統噴霧冷卻不同，真空閃蒸噴霧冷卻中熱流首先隨著流量的增加而增大，然後隨著流量的提高而減小，存在最佳流量。由於實驗過程中部分中間參數難以測量，如被冷卻表面液膜的分布，也不能有效地揭示真空閃蒸冷卻過程中的各種傳熱機理及其相互之間的影響關係。項目組在上述實驗研究的基礎上，建立了真空閃蒸條件下的噴霧冷卻傳熱模型，研究了閃蒸機制對噴霧液滴特性和噴霧冷卻換熱特性的影響，得出了各種參數對噴霧冷卻換熱機制的影響機理和內在規律。模型中液滴閃蒸模型採用基於擴散控制蒸發方程的熱導率修正模型，液膜閃蒸模型採用基於膜滲透理論的瞬態傳質模型，經驗證，該模型與實驗結果吻合較好。研究結果表明，噴霧特性和噴霧流量等都是影響閃蒸噴霧冷卻換熱特性的重要參數。然而，目前普遍使用的壓力旋流噴嘴存在噴霧特性難以控制、噴霧流量大、霧化不均勻、需要壓力泵等缺點，項目組基於工質流量最小化的基礎設計了壓電霧化噴嘴，並對其換熱特性進行了研究。研究發現，壓電霧化噴嘴在小流量下具有噴霧參數可控、噴霧分布更加均勻、不存在中間空心區。通過本項目的研究，為閃蒸噴霧冷卻的工程套用和最佳化設計提供了實驗基礎，為利用真空閃蒸冷卻實現太空飛行器高效率熱控提供理論基礎。