机载蒸发循环系统两相流换热特性实验研究

来源：发布时间：2014-07-25 11:45:43点击率：

　　相变传热凭借其良好的传热能力和较低的能耗的特点在航空航天领域的电子设备冷却尤其是蒸发制冷循环系统中得到应用。飞行器在机动飞行或进出大气层都会遇到超重状态。超重状态下的两相流的流动及传热特性相对于静止状态时候发生了很大的变化。以流动水为介质，通过搭建旋转平台对超重状态下两相流系统进行了实验研究，得到流体在过载时流动特性和传热特性的初步变化规律。结果显示超重对流动和换热都会产生显著影响。试验结果对于飞行器上相变换热器的理论分析和设计积累了有价值参考资料。

　　【关键词】蒸发循环;相变换热;两相流;冷却

　　中图分类号V211.1;082504文献标识码A

　　0引言

　　航空航天器技术是一个国家科技水平和国防实力的重要标志。大功率高集成电子电器设备的装机，提高了飞行器的总体性能和作战能力，却带来了几十千瓦的发热载荷，其发热量是原先热载荷的几倍到几十倍。空气循环制冷系统已难以达到其设备的冷却要求，需要更好的能量管理和制冷系统，蒸发制冷循环中两相流介质的热量传递和能量供应能力可以满足这一需求。蒸发循环制冷系统与空气循环系统相比，优点明显：制冷量足够大，使得乘员效能和电子设备可靠性增加;其次是低温特性和较低的全寿命周期费用[1]。

　　现代空间技术中，航天器和空间站的“生命保障系统”、“电子设备散热控制系统”等都需要一套可靠的热控制系统来保证其正常的工作。相变传热相对非相变传热有很多优点，通过合理的结构设计，采用相变传热可以达到更高的热流密度、更低的能耗。现在较为成熟的相变换热技术已经在热管换热器中得到了广泛的应用。相变换热器中存在气液两种状态的流动，在热管中，工作介质在加热段气化吸热，在冷凝段凝结放热。液相和气相两种状态相向流动，在热管的中间绝热段两相流体同时存在。两相流的流动和传热问题显得尤为重要[2-4]。

　　载入式航天器在返回大气层之后有一段急减速过程，减速造成的再入过载峰值可以达到3到4个g，神舟五号飞船再入过载峰值为3.24g。高速飞行的战斗机在加速飞行或急速转弯时候也会给机身造成了很大的运动载荷。在急转弯逃避敌人的攻击时，机身承受的过载在数值上可达9g。机载设备中的两相流系统在超重状态下的流动和传热特性较地面静止状态时发生了很大的变化，地面上已经得到的关于两相流的很多研究成果在超重状态下并不一定完全适用。

　　1.过载实现的难点及处理方法

　　现阶段两相流方面的实验研究大多停留在地面静止状态，这样得到的实验结果不能满足飞行器在做加速、减速、高速转弯、横滚、快速俯冲拉起等机动动作中两相流动和换热的性能要求。过载的出现，使得地面上的很多研究成果在飞行器上并不一定仍然成立，静止方式的实验方法无法实现和考察过载对于两相流的影响。因此我们要想得到在飞行器上仍然适用的实验数据，必须在实验状况中加入过载作用。在超重状态下的沸腾传热和气液两相流的研究方面，鲜见相关的报道。主要的原因可能是过载状态的实现有一定的困难。

　　为了实现过载状态，现今许多包含飞行载荷状态的实验往往需要把整套设备和测量仪器都安装到飞行器上进行跟机实验。因为飞行载荷是由飞行器高速机动飞行时转弯所产生的离心力造成的，所以在进行飞行载荷状态下的实验时，飞行器只有长时间地做加速、减速、高速转弯、横滚、快速俯冲拉起等危险动作才会获得持续的过载。这种情况下进行实验的安全性比较差，容易发生飞行事故和损坏实验设备。此外由于只有适合飞行条件的天气出现时飞行器才能上天飞行，导致跟机实验受天气的影响较大。还有更重要的就是实验成本，飞行试验次数越多，实验成本会很高。

　　虽然现在已经有人设想在地面利用长直轨道加速以模拟飞行过载状态，可以不必进行跟机实验，但是由于这种方法需要上千米长的加速轨道，占用了很大的实验空间，实现起来很不容易，而且过载的大小也很难依据实验的要求进行实时调节。过载状态下两相流的地面模拟方法还没有实现，能够在过载条件下有效地进行两相流数据采集和实时检测的方法仍在探索中。

　　2.超重状态下的相变换热试验研究

　　超重状态下两相流试验可以通过将两相流系统及其测试装置安装在旋转平台上来实现。利用飞行过载模拟平台模拟飞行器超重状态，如图2所示。通过调节转盘的旋转速度获得不同的向心加速度，以模拟飞行器加速、减速、高速转弯、横滚、快速俯冲拉起动作下的飞行载荷状态。将两相流及其测试系统安装于飞行过载模拟平台上，以实时测量流体参数和保存实验数据。

　　2.1实验装置及其工作原理

　　如图3所示，超重状态下两相流实验系统由飞行过载模拟平台及安装于飞行过载模拟平台上的两相流测试系统组成;其中飞行过载模拟平台由转盘、电动机、调速装置、机架组成。上述两相流系统的透明测试管段可径向或周向布置，并可调节其倾斜的角度。径向时流体流动方向与转台直径方向一致，与过载方向相同或相反，可模拟飞行器直线加速或减速时的情形。周向时实验测试管段沿圆周方向布置，流体流动方向沿管段与转台的圆周切线方向一致，与过载方向垂直，可模拟飞行器快速转弯、俯冲或拉起时的情形。实验系统主要部件的基本参数在表1中列出。

　　图4显示了两相流工作原理。流动水由水泵从水箱里抽出后流经预加热器加热，再流入两相流透明测试管，由于预加热器的加热量不足以把水加热到沸腾状态，因此在透明测试管内设有二次加热器，水在透明测试管被二次加热到沸腾气液两相流状态，然后通过管路流回水箱，形成一个循环水系统。透明测试管段装有压力、压差、流量、空隙率和温度传感器[5]。所有测量流体参数的传感器通过3个数据模块和笔记本电脑连接，这样实验数据就可以实时的保存下来。实验过程中通过调整旋转台的转动速度，获得不同的水平向心加速度，以模拟不同的飞行过载。另外，用数字摄像机对透明测试管段的流体摄像，获得流体的图像资料。

　　2.2两相流在超重状态下的流动和传热特性

　　由于旋转状态下的坐标系为非惯性系统，要考虑离心力和哥氏力的影响，再加上重力、浮力效应以及温度场的非稳定性，导致旋转状态下流体的流动与传热问题极端复杂化，标准的N-S方程已不适用，动量、能量方程应增添附加项。过载下的流动沸腾传热方程如下[6]。

　　质量方程：

　　实验通过过载增加和减弱来考察过载对于流动和传热的影响，如图7到图10是通过调节过载使其达到1个g之后，慢慢减速至过载为零，再重复过载增加和过载减弱的过程两次，一共得到三个过载渐增和过载渐减的状态循环过程。

　　流动方面：运动载荷作用于流动中的流体上，会使流体流动特性发生很大的变化，随着过载的增加，流体在测试管进出口的压力差△P会增加，出口压力P2反而作滞后减小，整个循环的流量不会增加，反而会减少，这是由于压差计测的只是循环管路中透明测试管段的压差，而不是整个循环的压差，过载使得测试管段的压差增加，同时使循环管路中除去测试管段的那一部分的压差也增加。过载力(与测试管中流体流动方向相反)阻止了流体的流动。从图中可以看出，过载由零开始增加的时候，过载作用引起了流体流动的扰动，导致流量和出口压力出现一段小范围上下的波动，过载由零增到大值再减小到零，完成一个过载增加和减小的循环过程，在进入下一个循环的过渡的过程中，又会引起流动的波动，然后随着过载的增大而减小，当过载达到大值的时候，流量和出口压力达到小值，过载减小的时候，流量和出口压力又会上升。这是由于过载将流体向外涌，引起流动阻力增大和出口压力(靠近转盘轴心)减少，导致流量随着过载增加而减少。

　　传热方面：超重状态的两相流的传热特性受流动的影响也相应地发生了很大的变化。从图10中可以看出，当过载增加的时候加热面上的流体温度减小值可以达到1.5℃，过载减小的时加热面的温度又会有所上升，这是由于过载的增加是通过提高转动平台的转速来实现的，转速增大导致转动平台上的循环管路与空气相对速度增加，设备表面换热系数相应的增大，循环管路向周围空气通过对流换热造成的热损失增大，导致流体温度的降低，当过载减小时，转台转速减慢，管路热损失减小，流体温度又会相应的上升1℃左右，流体温度随着过载的增加而减小，随过载减小而增大，随着过载周期性的变化而作相应的变化。

　　2.3单相流和两相流流动和传热特性对比

　　图11中黑点表示的是单相水的变化规律，圆圈表示的是两相流的变化规律，过载对单相水和两相流的流动影响的规律总体趋势相同，即随过载的增大而增大。

　　从流动特性来看，在非旋转状态下，即载荷为0时，两相流的流阻与单相水的流阻相差不大，但随着转速的增加，流体流阻迅速增大，而两相流流阻的增幅大于单相水的流阻增幅，当载荷为2G时，两相流流阻约为单相水流阻的1.5倍，该数值表明：测试段管内的流阻大小受到流体介质的影响[7]。因此，过载作用对沸腾两相流流动损失的影响相对单相水更加强烈。

　　图12显示了超重对流体有效加热量的影响。

　　静止状态下沸腾两相流的有效加热量qe-TP略高于单相水的有效加热量qe-L。沸腾两相流的液相流量在小于单相水流量的情况下，两相流还具有较高的传热能力，说明两相流在达到一定换热效果下所需的流体流量较小，因此，以两相流为传热介质可节省能源以减小系统的总重量。从过载对其传热的影响来看：随着转速的增大，过载增加，两者的有效传热量都减小。介质为两相流时，传热量不仅包括温升传热，还包括汽化热，在过载为0～1G之间，流动机制剧烈变化，汽化潜热快速减小，有效传热量急剧下降，1G之后传热量开始缓慢减小。对于单相水而言，仅为温升传热，其有效传热量随过载缓慢降低，且减小幅度也连续减小。这主要是向外界散热的强化造成的。

　　3.结束语

　　通过用圆形转动平台高速旋转来模拟超重状态，对置于平台上的两相流系统进行了实验研究。实验结果证明，超重状态下两相流的传热和流动特性发生了很大变化，过载作用和流动方向相反时，导致两相流局部流体压差增大，流阻增加，流量减少。流动特性的变化引起了传热特性的变化，过载增加时，流体向外散热加强，加到流体的有效加热量因而减少。

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