液滴辐射换热器的液滴辐射换热模型开发

发布时间：2020-05-27 08:26

【摘要】：21世纪以来,因为传统太阳能无法满足星球表面科研站等深空探测需求和未来空间活动对百千瓦级以及兆瓦级功率的需求,美国、俄罗斯以及中国等国正在研制百千瓦至兆瓦级、寿命不小于10年的空间核动力系统。而对于如此大功率的航天器系统而言,如何保证其热平衡成为了实现大功率航天器的关键技术之一。液滴辐射换热器(LDR)是一种非常有前景的新型空间废热导出系统,用于排出由太空电力系统,推进或航天器系统产生的废热。LDR相对于现有技术存在众多优点,包括具有更小的单位功率质量、能更加紧凑地存储在航天腔室内、在轨道上安装展开相对容易和因为主要散热部位为液滴层而非固态的热管装置,因此几乎免疫来自激光、粒子束和动能武器的威胁,是一种前景非常好的空间飞行器散热系统。LDR液滴发生器到液滴收集器中的液滴层是空间辐射散热的有效部位,因此研究其辐射换热特性对于整个LDR系统的优化设计至关重要。相较于传统的将LDR液滴层温度视为二维连续的分布情况而言,本文从单个液滴的角度重新建模对液滴层的辐射换热特性进行了分析。此方法的相对于传统方法的优点主要在于:(1)将液滴层的辐射换热特性当作三维瞬时问题进行计算,即不忽略厚度方向的温度变化;(2)液滴层温度分布无限制,即无需假设液滴层温度连续可导。本文从单个液滴的角度出发,研究了稀疏型LDR系统的液滴蒸发特性和辐射换热特性、两液滴之间的辐射换热特性、多液滴之间的角系数求解和矩形LDR系统液滴层的辐射换热特性,发现计算单个液滴的辐射换热性质得到整体液滴层的辐射换热性质的方法是可行的;并且在计算液滴的辐射换热特性时,可以忽略液滴的蒸发影响。两液滴之间的辐射换热角系数只与两液滴之间的距离与液滴半径之比有关;并且三个液滴之间的辐射换热角系数只与三个无量纲常数_1k、_2k和_3k有关,其中_1k、_2k和_3k分别为三个液滴之间的间距与液滴半径之比。通过引入一般角系数矩阵的概念后,可以极大地简化矩形LDR系统液滴层的辐射换热特性,根据一般角系数矩阵计算得到液滴层温度分布在厚度-宽度截面上的温度分布是均匀的,最大温差不超过10~(-4)K,由此可以根据此特性将矩形LDR系统液滴层辐射换热模型简化。简化模型计算结果表明,简化模型与原始模型吻合较好,两模型之间的相对误差不超过0.35%,因此可以在LDR系统初始设计阶段,利用简化模型提高设计效率。
【图文】：

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原理如图1.1 所示。液滴散热器的工作流程如下：液滴发生器将液滴工质从连续流体转换为数以亿计的单个液滴，液滴在空间飞行过程中将自身的热量通过辐射散热导出到宇宙空间，然后由液滴收集器将液滴收集起来，由循环泵经过换热器吸收由空间系统产生的废热，由此循环运行导出空间系统废热。LDR 相对于现有技术存在众多优点[17]。根据现有研究而言，LDR 具有更小的单位功率质量和能更加紧凑地存储在航天腔室内。因为 LDR 的关键设备相对较小，与热管

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图 1.2 先进空间散热系统质量的比较[16]图 1.3 移动带式散热器、居里点散热器和旋转气泡膜散热器示意图LDR 的概念最初产生于 1979 年，根据结构不同主要可以分为螺旋形 LDR、环DR、封闭蝶形 LDR、三角形 LDR 和矩形 LDR，如图 1.4 所示[15,20]。螺旋形 LDR 如.4(a)所示，液滴发生器处于螺旋线中间，液滴产生后沿着螺旋线向外运动，并在运动中向空间导出热量，最终由处于边缘的液滴收集器收集。环形 LDR 示意图如图 1.4示，液滴发生器和收集器均设计为环形。封闭蝶式 LDR 示意图如图 1.4(c)所示，，液
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172

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