楊輝，謝衛(wèi)，張拴勤，潘家亮

(總裝備部工程兵科研一所，江蘇 無錫214035)

0 引言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，各種具有高探測精度、高分辨率的探測和遙感設(shè)備不斷涌現(xiàn)，對機(jī)動車輛的戰(zhàn)場生存產(chǎn)生了日益嚴(yán)重的威脅，特別是紅外熱成像系統(tǒng)在陸軍武器中的廣泛應(yīng)用，對機(jī)動目標(biāo)造成的威脅更是不可忽視。熱成像系統(tǒng)借助目標(biāo)與背景紅外輻射的對比度實現(xiàn)探測，目標(biāo)的紅外輻射特性主要取決于其表面溫度及發(fā)射率［1］，因此，降低機(jī)車表面溫度是減弱目標(biāo)與背景紅外輻射特性差別的一種重要手段。

對機(jī)車發(fā)動機(jī)而言，其有效功率的熱當(dāng)量僅為35%～40%，而發(fā)動機(jī)廢氣所帶走的熱量通常高達(dá)35%～40%，風(fēng)扇散熱量為25%～30%.當(dāng)機(jī)動目標(biāo)發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷工作時，排氣管隔熱層外表面溫度一般在300 ℃～350 ℃之間。在機(jī)車動力艙內(nèi)，排氣管隔熱層外表面的強(qiáng)烈散熱致使發(fā)動機(jī)附近的頂甲板和側(cè)甲板將顯著升溫，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的紅外輻射，往往成為現(xiàn)代偵察和制導(dǎo)技術(shù)中發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤機(jī)車目標(biāo)的重要依據(jù)［2］。本文利用熱管溫控結(jié)構(gòu)模擬實現(xiàn)高溫排氣管的紅外偽裝。

1 熱管傳熱理論計算［3］

通過建立熱管蒸發(fā)端與冷凝端的蒸汽流動壓力降與二者溫差的關(guān)系方程，最終計算出熱管的傳熱性能，為構(gòu)建熱管溫控紅外抑制模擬試驗提供依據(jù)。如圖1所示為熱管傳熱模型示意圖。

圖1 熱管傳熱模型示意圖Fig.1 Heat pipe heat transfer model

1.1 蒸發(fā)段方程

蒸發(fā)段蒸汽形成方式為吸液芯表面液體在表面進(jìn)行蒸發(fā)以及吸液芯內(nèi)液體發(fā)生沸騰。熱管管殼部分:

式中:keff為吸液芯有效導(dǎo)熱系數(shù);hfg為熱管工質(zhì)蒸發(fā)潛熱;ρv為熱管工質(zhì)氣態(tài)時密度;σ 為表面張力;Tv為管內(nèi)蒸汽溫度;di和dv分別為熱管內(nèi)徑和蒸汽腔直徑;rbled為熱管加熱壁表面所形成的氣泡半徑，且

式中:

Tsat為液面上蒸汽飽和溫度;kl為熱管工質(zhì)液態(tài)導(dǎo)熱系數(shù);pl為工質(zhì)液態(tài)壓力;qb為表面熱流密度。

在熱管內(nèi)部的液體壓力從蒸發(fā)段到冷凝段逐漸上升，蒸汽壓力則相應(yīng)降低。它們的變化趨勢都在蒸發(fā)段比較明顯，到達(dá)冷凝段后的變化較緩慢，在冷凝段尾部，二者的壓差很小，現(xiàn)假設(shè)冷凝段尾部液體壓力與蒸汽壓力相同。

蒸發(fā)段蒸汽與液體的壓差為熱管中蒸汽流動壓力降與液體流動壓力降之和。

假定單位長度上質(zhì)量流量變化是常數(shù)，則

式中:μl為工質(zhì)液態(tài)粘性系數(shù);ml為液體流量，ml=Qheatpipe/hfg;Ap為吸液芯橫截面積;K為滲透率。

假定蒸汽軸向流動為不可壓縮層流流動，則

蒸發(fā)段蒸汽形成方式僅為吸液芯表面液體在表面進(jìn)行蒸發(fā)，則

式中:T3為蒸發(fā)段吸液芯與工質(zhì)交界面溫度;R0為通用氣體常數(shù);M 為分子量;Tl，evap=T3;ΔTsat為蒸發(fā)面的上下溫差，ΔTsat=Tl，evap－Tv，evap;psat為液面上的飽和蒸汽壓力;Tsat為溫度。

1.2 冷凝端方程

冷凝段蒸汽凝結(jié)以膜狀凝結(jié)為主，蒸汽凝結(jié)后，在芯層內(nèi)的傳熱方式是液體對流換熱和吸液芯固體骨架的導(dǎo)熱的組合。

蒸汽部分:

由clapeyron 方程可得

由pv，evap－pv，c=Δpv，可得Tv，c.

吸液芯與管殼部分:

式中:pv，evap為蒸發(fā)段工質(zhì)蒸汽壓力;Tv，evap為蒸發(fā)段工質(zhì)蒸汽溫度;pv，c為冷凝段工質(zhì)蒸汽壓力;Tv，c為冷凝段工質(zhì)蒸汽溫度;T4為冷凝段熱管管殼與吸液芯交界面溫度;T5為冷凝段熱管外表面溫度。

4 個方程(1)式、(7)式、(10)式、(11)式，4 個未知數(shù)T2、T3、T4、Tv，c，方程組閉合，由此可等效求出熱管的傳熱參數(shù)。

2 高溫排氣管熱管溫控紅外抑制模型建立

構(gòu)建熱管溫控模擬裝置的目的就是通過比較模擬高溫排氣管經(jīng)過(或無)熱管溫控裝置的紅外特征對比，來說明熱管溫控組件的紅外抑制作用。具體的機(jī)車發(fā)動機(jī)排氣管紅外抑制模型如圖2所示，排氣管內(nèi)的高溫尾氣與排氣管內(nèi)管壁有對流換熱，經(jīng)排氣管管壁的熱傳導(dǎo)，將熱量傳遞給隔熱層，再通過隔熱層的傳導(dǎo)作用，傳遞給熱管散熱器。這些熱量大部分經(jīng)由散熱片與外界環(huán)境的對流換熱散失，小部分以自然對流的形式傳遞給箱內(nèi)空氣。箱體內(nèi)空氣接收熱管的熱量后，經(jīng)與箱體內(nèi)壁的自然對流換熱，將熱量傳遞給箱體，再經(jīng)箱體外壁與環(huán)境的對流換熱與對天空的輻射換熱，將熱量散失到環(huán)境當(dāng)中。

圖2 排氣管紅外抑制模型示意圖Fig.2 Model of exhaust infrared suppression

計算時節(jié)假定為夏季夜晚，無投射輻射，需考慮箱體對天空的輻射、箱體及散熱器與環(huán)境的對流換熱，假定環(huán)境溫度為恒定20 ℃，根據(jù)文獻(xiàn)［4］中經(jīng)驗結(jié)果，天空溫度定義為0 ℃，計算此穩(wěn)態(tài)條件下機(jī)車表面的溫度。怠速狀態(tài)時，箱體表面與環(huán)境自然對流換熱，其對流換熱系數(shù)由經(jīng)驗公式h =5.7 +3.8v 算得，此處v 取3 m/s.為增強(qiáng)熱管換熱器與環(huán)境空氣的換熱功率，在散熱肋片處用風(fēng)扇鼓風(fēng)以加大肋片與空氣間的對流換熱系數(shù)，計算結(jié)果如圖3所示。普通機(jī)車箱體表面平均溫度約65 ℃，而使用熱管導(dǎo)熱時箱體表面平均溫度約為22 ℃，且與環(huán)境溫度相差僅為2 ℃.

3 熱管溫控紅外抑制模擬試驗

3.1 試驗設(shè)計

3.1.1 參數(shù)選取

尾氣管道位于封閉箱體中，取管道對箱體視角系數(shù)F 為1;管道發(fā)射率ε 取最大為1;實際尾氣排放溫度在300 ℃～400 ℃之間，取管道溫度T1為400 ℃;理想情況下，箱體經(jīng)熱管散熱后處于環(huán)境溫度T2=27 ℃;箱體尺寸0.3 m×0.3 m×0.5 m;管道直徑D 為0.04 m.

圖3 有無熱管箱體表面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of box surface with or without heat pipe

3.1.2 設(shè)計計算

由波爾茲曼定律，滿足能量平衡時候，熱管需要5.67 ×108× (6734－ 3004)×π × 0.04 × 0.5 =的散熱量Qmax= F·ε·σ(T14－ T24)·A = 1 × 1 ×701 W.

實際應(yīng)用中，熱管不可能完全一致，取保險系數(shù)1.2，最終確定熱管的功率Q = Qmax×1.2 =701 ×1.2 =841.2 W.

若單根熱管散熱功率額定為100 W，故擬采用9根熱管。

3.2 試驗裝置搭建

如圖4所示為管翅式熱管溫控模擬裝置構(gòu)建的實物。

管翅式熱管溫控模擬裝置由管式加熱爐、熱風(fēng)管道、兩密閉箱和管翅式熱管、油套以及強(qiáng)迫對流裝置組成。

圖4 管翅式熱管溫控模擬裝置Fig.4 Tube－fin heat pipe temperature simulator

1)管式氣體加熱爐:可達(dá)到的加熱功率5 kW，管式爐內(nèi)溫度可達(dá)1 100 ℃以上，氣體流量為10 m3/min 時，出口空氣溫度可達(dá)400 ℃以上。冷空氣由風(fēng)機(jī)提供?？諝夤艿罏橹睆?0 mm 的不銹鋼管。

2)密閉箱:2 只，外形尺寸50 cm × 30 cm ×30 cm.一只內(nèi)部管道直接放置于箱體內(nèi)，另外一只內(nèi)部管道上有油套覆蓋。

3)管翅式熱管:單根熱管散熱功率額定為100 W，9 根熱管散熱功率為900 W.熱管熱端浸沒在密閉箱的油套中，將熱量傳導(dǎo)至箱體外，由冷端帶有風(fēng)冷的翅片散掉。

3.3 試驗與結(jié)果分析

2 個測溫?zé)犭娕挤謩e緊密粘貼在2 只密閉箱體表面，實時檢測2 只密閉箱體表面的溫度。采用型號為FLIR S65 紅外熱像儀(光譜范圍:8～14 μm)檢測箱體的紅外輻射特性。如圖5所示為加熱器功率P=5 kW 時模擬裝置的紅外熱圖。

圖5 加熱功率為5 kW 時的熱圖對比Fig.5 Thermal image comparison when the heating power is 5 kW

為更直觀地說明熱管進(jìn)行溫度控制的作用，表1給出了內(nèi)有熱管的密閉箱與內(nèi)無熱管的密閉箱的實際溫度及其溫差。

表1 試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

由圖5和表1可看出，管翅式熱管在熱管溫控模擬裝置中散熱效果顯著，內(nèi)有熱管的密閉箱與內(nèi)無熱管的密閉箱的實際溫差達(dá)到29℃，熱抑制效能達(dá)到62.9%.

4 結(jié)論

通過熱管高效導(dǎo)熱散熱技術(shù)的理論研究，建立了演示模擬裝置，并通過試驗驗證了模型的準(zhǔn)確性。計算了熱源目標(biāo)表面溫度隨熱管功率、對流換熱條件等的變化規(guī)律，為熱管溫控組件的設(shè)計提供理論依據(jù);搭建了高效導(dǎo)熱散熱模擬裝置，該裝置由熱管和高效散熱翅片復(fù)合而成，試驗結(jié)果表明，該裝置能夠迅速將熱源部位的熱量轉(zhuǎn)移到散熱翅片上，利用散熱翅片的高效散熱特性將熱量迅速散發(fā)到周圍環(huán)境背景中。該裝置驗證了熱管在控制機(jī)動目標(biāo)在工作時熱源的溫度方面具有強(qiáng)大功能，為軍用裝備熱源目標(biāo)紅外偽裝提供了一種全新的方法。

References)

［1］ 張建奇，方小平.紅外物理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004.ZHANG Jian－qi，F(xiàn)ANG Xiao－ping.Infrared physics［M］.Xi’an:Xidian University Press，2004.(in Chinese)

［2］ 宣益民，韓玉閣.地面目標(biāo)與背景的紅外特征［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.XUAN Yi－min，HAN Yu－ge.Infrared characteristics of the ground targets and backgrounds［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2004.(in Chinese)

［3］ M N 伊凡諾夫斯基，V P 索羅金，I V 雅戈德金.熱管的物理原理［M］.潘永密，顧金初，華永利，譯.北京:中國石化出版社，1991.Ivanovskii M N，Sorokin V P，Yagdkii I V.Physical principles of heat pipes［M］.PAN Yong－mi，GU Jin－chu，HUA Yong－li，translated.Beijing:China Petromechanical Press，1991.(in Chinese)

［4］ 朱壽遠(yuǎn)，魏德孟，周向前，等.坦克發(fā)動機(jī)排氣管隔熱技術(shù)研究［J］.車輛與動力技術(shù)，1999，(3):5－11.ZHU Shou－yuan，WEI De－meng，ZHOU Xiang－qian，et al.Research on tank engine exhaust pipe insulation technology［J］.Vehicle ＆ Power Technology，1999，(3):5－11.(in Chinese)

［5］ 李時娟，楊彬.新型平板熱管傳熱性能的實驗研究［C］∥第十一屆全國熱管會議論文集.北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社，2008:288－292 .LI Shi－juan，YANG Bin.Experimental research on heat tranfer performance of novel flat heat pipe［C］∥The 11th National Heat Pipe Corrference.Beijing:Beijing Science and Technology Press，2008:288－292.(in Chinese)

［6］ 莫才頌，李權(quán).熱管傳熱及散熱分析［J］.茂名學(xué)院學(xué)報，2006，16(3):31－34.MO Cai－song，LI Quan.The analysis of heat pipe heat transfer and heat radiation［J］.Journal of Maoming College，2006，16(3):31－34.(in Chinese)