【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】航天事業(yè)特別是載人航天和深空探測(cè)的迅猛發(fā)展，對(duì)空間熱傳輸技術(shù)在功率、熱流密度和傳輸距離等方面提出了更為嚴(yán)苛的需求，基于氣液相變潛熱釋放的多相熱流體系統(tǒng)因高效傳熱性能成為廣受重視的空間先進(jìn)熱傳輸技術(shù)發(fā)展的主要方向。
不同重力環(huán)境凝結(jié)導(dǎo)致的氣液兩相流動(dòng)特征與傳熱性能，是多相熱流體系統(tǒng)空間應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，決定著系統(tǒng)的熱傳輸能力與系統(tǒng)穩(wěn)定性。當(dāng)工作介質(zhì)為深低溫工質(zhì)時(shí)，較低的表面張力會(huì)導(dǎo)致氣液界面不穩(wěn)定性增強(qiáng)，這一趨勢(shì)疊加上重力差異引起的氣液界面分布形態(tài)變化，將進(jìn)一步強(qiáng)化深低溫工質(zhì)管內(nèi)冷凝流動(dòng)與換熱特性的天地差異。
詳細(xì)分析不同重力下深低溫工質(zhì)流動(dòng)冷凝過(guò)程中氣液界面行為及其對(duì)換熱性能的影響，對(duì)空間兩相系統(tǒng)應(yīng)用特別是其中關(guān)鍵部組件之一——
冷凝器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，具有極為重要的實(shí)用價(jià)值。
近日，力學(xué)所微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙建福研究員團(tuán)隊(duì)在35K溫區(qū)氖工質(zhì)管內(nèi)冷凝流動(dòng)傳熱特性及重力水平影響方面取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了深低溫工質(zhì)管內(nèi)冷凝流動(dòng)與換熱數(shù)值模型，通過(guò)和上海交通大學(xué)王文教授團(tuán)隊(duì)地面常重力氖工質(zhì)冷凝換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及氮工質(zhì)冷凝流型觀測(cè)結(jié)果的比較，充分驗(yàn)證了該數(shù)值模型的可靠性。
利用驗(yàn)證后的數(shù)值模型，系統(tǒng)仿真分析了不同管徑、質(zhì)量通量以及重力水平對(duì)氖工質(zhì)冷凝流動(dòng)過(guò)程中氣液分布形態(tài)及換熱特性的影響，揭示了深低溫工質(zhì)冷凝傳熱過(guò)程在不同重力條件下傳熱強(qiáng)化、傳熱惡化和重力無(wú)關(guān)三種狀態(tài)的形成機(jī)理，認(rèn)為流動(dòng)中慣性力、重力和表面張力間的競(jìng)爭(zhēng)決定的局部液膜分布形態(tài)。
其中，重力對(duì)水平管道截面上部液膜有著明顯的減薄效應(yīng)，同時(shí)也導(dǎo)致冷凝液在底部匯聚形成所謂的“液池”。薄液膜熱阻小，傳熱效率高；而液池的大厚度導(dǎo)致熱阻顯著增大，傳熱效率低。重力引起的水平管道截面上部液膜厚度減小與薄液膜周向占比降低將同時(shí)存在，其綜合效應(yīng)依賴具體的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而視具體情形的不同呈現(xiàn)出傳熱強(qiáng)化、傳熱惡化或重力無(wú)關(guān)三種不同表現(xiàn)。
對(duì)于深低溫工質(zhì)而言，表面張力往往較低，當(dāng)重力減小時(shí)，冷凝界面更容易發(fā)生流動(dòng)失穩(wěn)，引起氣液界面波動(dòng)，甚至導(dǎo)致液膜破裂產(chǎn)生液滴夾帶現(xiàn)象。氣液界面波動(dòng)會(huì)增大換熱面積，液滴夾帶則會(huì)降低附壁液膜厚度，均能強(qiáng)化冷凝傳熱效果。
相關(guān)研究成果已發(fā)表在Applied Thermal Engineering(2023, 233: 121162)和《工程熱物理學(xué)報(bào)》(2023, 44(3): 684-689)，第一作者為力學(xué)所博士生何發(fā)龍，力學(xué)所杜王芳副研究員、趙建福研究員和中國(guó)空間技術(shù)研究院北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部苗建印研究員為共同通訊作者。部分成果曾由何發(fā)龍?jiān)谑讓枚嘞鄠鬏敿澳茉崔D(zhuǎn)化利用國(guó)際會(huì)議(MTCUE-2022)進(jìn)行過(guò)交流，并獲得“最佳論文獎(jiǎng)”。
相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(11972040)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFF0503502)等的資助。
圖1 深低溫工質(zhì)冷凝傳熱數(shù)值模型驗(yàn)證結(jié)果
圖2 重力水平對(duì)不同干度氖工質(zhì)截面氣液分布形態(tài)的影響
圖3 不同質(zhì)量流量下重力水平對(duì)氖工質(zhì)流動(dòng)冷凝換熱系數(shù)影響
圖4 1mm和2mm水平管內(nèi)不同干度位置截面氣液分布形態(tài) (a) x=0.9; (b) x=0.7; (c) x=0.5; (d) x=0.3
