毛细相变回路中的界面波动问题及其稳定性研究

毛细相变回路装置具有高热流密度传输能力，解决其瞬态运行稳定性问题是该类技术在热控管理领域应用的关键。实验研究结果表明，波动现象与系统自由两相界面的不稳定性有很大关系。本项目针对补偿腔内气泡表面的稳定性和冷凝器内两相流动界面的稳定性进行研究，目的是分析两个自由相变界面波动发生的条件、波动演变的特性以及局部波动对系统瞬态运行特性的影响。在稳定性分析的基础上，建立两相界面稳定性判据，获得波动随系统物性参数、几何参数以及热力参数变化的规律，从而为系统优化设计和运行参数选取提供理论依据。项目研究方法基于两相流动力学稳定性分析理论，其关键是建立精确的流动控制方程，并选取合适的界面封闭条件，因此本项目综合了两相流动力学、两相流传热传质学和界面物理学等多方面理论知识。通过本项目的研究，有望在热毛细回路系统瞬态运行特性理论研究方面产生重要进展，同时还可以丰富和推进上述相关学科的发展。

系统稳定性问题限制了小型环路热管这项先进技术的发展和广泛应用。本项目对平板式环路热管的稳定性进行了实验研究和理论分析，探讨了系统存在各种类型温度波动的原因并提出控制方法。通过蒸发弯月面线性稳定性分析，提出了蒸发弯月面的稳定判据，并结合薄膜蒸发理论，将稳定判据与系统设计参数和运行参数关联。研究结果表明同样条件下氨工质形成的蒸发弯月面具有较好的自调节机制，这一发现从机理上解释了氨系统的稳定性优于甲醇系统。对冷凝界面的稳定性分析表明，仅当系统本身有压力波动时，小扰动才会使界面产生大幅振荡，并且这种振荡很难依靠系统自身抑制。这在一定程度上解释了甲醇系统在低负荷条件出现的高幅低频温度波动现象。建立了蒸发器整体传热传质数值模拟三维模型，通过该模型对不同工况下的补偿腔内流动与传热进行了模拟。结果表明，高负荷下较强的蒸发漏热，会导致补偿腔侧壁过热。在上述研究基础上研制的不锈钢-氨回路热管，无论是启动性能、运行特性还是稳定性方面都有极大的提高。项目对蒸发弯月面薄膜蒸发机制的深入研究，不仅可以指导两相热传输系统的工质选择，还为理论预测LHP系统传输极限提供了基础。