阵列射流式脉动热管流动与传热特性研究

As the current thermal solution for removing high heat flux on spacecraft, mechanically pumped fluid loop is prone to trouble for its limited operational life and reliability. The proposed research will circumvent these defects with a passive device for high heat flux cooling - pulsating heat pipe (PHP) in jet array form, combining PHP's thermal-driven mechanism and the efficient convective heat transfer of the two-phase jet impingement in array. In the presented project, experiments will be carried out first to verify the proposed principle on prototype device, then to investigate on the startup process, flow pattern evolutions and heat transfer performance, under different design parameters and operational conditions. Validated and calibrated by experimental data, numerical fluid simulations will be performed to resolve the 3D two-phase flow domain. Via the gas-liquid interfaces captured, the spatial coupling characteristics between vapor actuation and liquid slug response in the form of jet array will be analyzed. Thereafter, based on experimental measurements and simulation solutions, proper orthogonal decomposition (POD) technique will be applied to extract the major features of the characteristic modes from the input parameters and 3D flow fields. And reduced order dynamic models will be established to reveal the coupling between the internal dynamics and input variables. This research will serve the theoretical foundation of PHP in jet array form and provide guidance for future applications.

航天器热控系统高热流密度散热的现有方法是主动流体回路，存在寿命和可靠性等薄弱环节。针对这些不足，本项目将脉动热管的热驱动原理与两相阵列射流的高效对流形式相结合，提出了高热流密度的被动散热装置--阵列射流式脉动热管。本项目拟运用实验方法验证样机的原理有效性，研究确定其在不同设计参数和工况下的启动特性，流型变化和换热能力；以实验结果作校准和验证，利用计算流体力学方法求解三维流场，通过捕捉气液两相界面，分析在射流形式下压力激励与流动响应之间相互作用的空间特性。在获得实验和数值仿真原始数据的基础上，研究将采用特征正交分解(POD)等方法分别对实验输入参数和三维流场进行模态分析，提取其中的主导特征，并建立降阶模型，用以揭示系统内部的流动与输入参数之间的耦合关系。本项目将为阵列射流式脉动热管的理论建设打下研究基础，并为未来的应用提供指导依据。

脉动热管是一种不需要借助外部驱动力实现高效传输大量热能的装置。与常规的热管相比，由于不含有毛细芯，脉动热管在结构上大为简化。但是，经过世界各国二十多年的研究和开发，脉动热管在工程领域的应用仍然远远不如普通热管。其中的一个原因是脉动热管弯头形状使得它不易应用在热源平面上，尤其是小型的汇热点上。此外，脉动热管中冲刷式的管道流动也并非一种高效的换热对流形式。但是迄今，并没有多少研究工作致力于解决以上的问题。本课题提出了一种将脉动热管的被动工作特性与分布式阵列射流的高效换热能力相结合起来的复合装置--阵列射流式脉动热管。同时在蒸发段引入了微缝隙两相热沉的设计，以提高沸腾换热的效率。基于所提出的新型结构，课题研究中设计制作了多个测试样机用于实验。在实验中该设计能够成功运行。其传热效能通过一系列的参数化设计的实验进行了评估，并与常规的闭式脉动热管进行了比较。实验数据表明，该设计能够在垂直和水平等角度下运行，其最佳充液率约为50~60%。和闭式脉动热管相比，它具有更顺畅的启动特性，在高热流的条件下具有更低的系统热阻。可视化实验对其在不同的运行阶段的流动特性进行了分析，揭示了装置内热工-水力耦合作用建立的过程。在准稳态运行状态下，通过摄影机的连续图像，对各种不同的流型进行了识别和追踪。根据追踪结果，研究建立了各种流型的速度分布图，并利用雷诺数和韦伯数等无量纲数进行了分析，得出了有趣的结果。本课题的研究证实了该设计原理的正确性和有效性。该设计不但为被动式震荡换热的设计提供了新的方案，而且还能改善了现有脉动热管的性能和适用性。