何發(fā)龍，杜王芳，趙建福，3*，陳躍勇，何 江，張紅星，苗建印

(1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100190；2.空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100094；3.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京100049；4.中國空間技術(shù)研究院北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京100094)

1 引言

深冷環(huán)路熱管(Cryogenic Loop Heat Pipe,CLHP)作為空間紅外探測系統(tǒng)關(guān)鍵組件,可以有效隔離制冷器機(jī)械振動及電磁干擾對光學(xué)探測儀器成像造成的影響［1］,在工程實(shí)踐中有著重要應(yīng)用。目前,以氦作為工質(zhì),可完成CLHP超臨界啟動,并實(shí)現(xiàn)3～5 K系統(tǒng)運(yùn)行溫度條件下10～140 mW熱量傳輸［2］。此外,對于其他深冷工質(zhì)的CLHP也有相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究,均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超臨界啟動并維持一定溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,如氮(80～110 K)［3］、氖(30～40 K)［4-5］、 氫 (20～30 K)［6］。 目 前, 對 于CLHP的實(shí)驗(yàn)研究主要圍繞系統(tǒng)的超臨界啟動和穩(wěn)定運(yùn)行性能分析。

然而,CLHP技術(shù)研發(fā)和實(shí)際運(yùn)控面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)在于缺乏對CLHP內(nèi)部多相熱流體動力學(xué)行為特性及其機(jī)理的可靠認(rèn)知,以及對相關(guān)現(xiàn)象的可靠、合理的數(shù)學(xué)描述。尤其是CLHP運(yùn)行過程中各部組件內(nèi)部流動特征(工質(zhì)分布特征、單相流態(tài)和/或氣液兩相流型、能量平衡與壓力平衡特性等),以及CLHP內(nèi)部流體工質(zhì)分布、熱力狀態(tài)變化及其流動與傳熱規(guī)律等。

相比實(shí)驗(yàn)研究,理論分析和數(shù)值模擬則是定性揭示或解釋CLHP傳熱機(jī)制的重要手段。CLHP作為一種特殊結(jié)構(gòu)形式的環(huán)路熱管,用于模擬分析的數(shù)值模型與環(huán)路熱管相近,可分為穩(wěn)態(tài)模型和瞬態(tài)模型。Kaya［7］基于環(huán)路熱管各部件的能量平衡建立了一維穩(wěn)態(tài)分析模型,并模擬分析出環(huán)路熱管的變熱導(dǎo)區(qū)性能。柏立戰(zhàn)等［8］考慮到冷凝器內(nèi)兩相流型的因素,基于環(huán)狀流型,建立了一種穩(wěn)態(tài)分析模型,可用于確定恒定熱導(dǎo)運(yùn)行模式下儲液器內(nèi)液相體積增加造成的冷凝器內(nèi)部兩相區(qū)的長度縮減。隨后將該模型擴(kuò)展至CLHP的穩(wěn)態(tài)分析［9］,并進(jìn)行了氮工質(zhì)的 CLHP穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)分析。穩(wěn)態(tài)分析模型可用于分析CLHP系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行性能和參數(shù)影響分析,但無法表征系統(tǒng)內(nèi)部各組件的流動特征。因而,Kaya［10］采用交錯格點(diǎn)法建立一種環(huán)路熱管瞬態(tài)模型,可用于預(yù)測系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng),但該模型中未考慮到對蒸氣槽道和蒸發(fā)器內(nèi)核的工質(zhì)狀態(tài)變化,因而毛細(xì)芯內(nèi)部的流動換熱參數(shù)難以確定,特別是在低熱負(fù)荷條件下,蒸發(fā)器逆向漏熱量需要通過實(shí)驗(yàn)值擬合確定。為了增強(qiáng)模型適用性就需要減少模型中的實(shí)驗(yàn)擬合參數(shù),Nishikawara［11］在該模型的基礎(chǔ)上,將蒸氣槽道和蒸發(fā)器內(nèi)核作為節(jié)點(diǎn)建立數(shù)值模型,但模型中的動量方程是以穩(wěn)態(tài)形式給出,因此是一種近似穩(wěn)態(tài)模型。柏立戰(zhàn)［12］建立一種CLHP超臨界啟動模型,并用以分析了工質(zhì)充裝壓力、寄生漏熱等因素對于超臨界啟動的影響,模型中為避免超臨界啟動過程中工質(zhì)溫度大幅變化造成的熱物性變化,從而采用溫度擬合的多項(xiàng)式來計算工質(zhì)熱物性,雖然簡化了模型計算,但與工質(zhì)實(shí)際的熱物性狀態(tài)差距較大,從而降低了模型的計算精度。此外,模型并不能完整實(shí)現(xiàn)CLHP超臨界啟動的全過程模擬,需要根據(jù)不同運(yùn)行階段重新設(shè)定初始條件以完成模擬。

本文基于具有輔回路的CLHP結(jié)構(gòu)特征及其運(yùn)行過程特點(diǎn),構(gòu)建一個一維CLHP瞬態(tài)數(shù)值模型,通過數(shù)值仿真分析CLHP穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中流體工質(zhì)的分布及其熱力學(xué)狀態(tài)變化路徑,并據(jù)此對CLHP穩(wěn)定運(yùn)行所必須滿足的條件進(jìn)行分析。

2 瞬態(tài)數(shù)值模型

2.1 基本假設(shè)

本文研究對象是圖1所示的具有輔回路的CLHP系統(tǒng)［13］,其瞬態(tài)仿真模型的構(gòu)建采用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法,并基于組件內(nèi)部工質(zhì)分布、熱力狀態(tài)變化及流動傳熱特性［14］,采用了如下基本假設(shè)：

1)工質(zhì)節(jié)點(diǎn)處流體總是處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài),且滿足吉布斯相律,即單組分工質(zhì)只有2個獨(dú)立的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)(溫度和密度),其它熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)采用查表計算；

2)毛細(xì)芯骨架溫度和毛細(xì)芯內(nèi)部工質(zhì)溫度相同,忽略氣-固和固-液界面接觸熱阻以及固體骨架熱慣性的影響。

2.2 控制方程

CLHP系統(tǒng)瞬態(tài)仿真模型包括相互耦合的熱力學(xué)模型和動力學(xué)模型,其中,工質(zhì)節(jié)點(diǎn)的熱力學(xué)模型采用控制容積方法,并基于質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律建立；而沿流動路徑(即相鄰工質(zhì)節(jié)點(diǎn)間的管段)工質(zhì)的動力學(xué)模型同樣采用控制容積方法,并基于動量守恒定律建立。至于壁面節(jié)點(diǎn)只需要基于能量守恒定律建立描述其溫度變化的熱力學(xué)模型即可。

工質(zhì)節(jié)點(diǎn)i質(zhì)量方程如式(1)所示：

其中,mi為工質(zhì)節(jié)點(diǎn)i的質(zhì)量,m·ik為鄰近工質(zhì)節(jié)點(diǎn)k與工質(zhì)節(jié)點(diǎn)i界面處的質(zhì)量流率。

工質(zhì)節(jié)點(diǎn)i能量方程如式(2)所示：

其中,hi為工質(zhì)節(jié)點(diǎn)i的焓值,m·ikhik為鄰近工質(zhì)節(jié)點(diǎn)k與工質(zhì)節(jié)點(diǎn)i界面處的焓流率(這里,hik的取值依賴于m·ik的方向,即總?cè)×鲃由嫌蔚墓べ|(zhì)節(jié)點(diǎn)比焓),Qim為工質(zhì)節(jié)點(diǎn)i與相鄰壁面節(jié)點(diǎn)m之間的換熱量,Wi為工質(zhì)節(jié)點(diǎn)i因壓力變化引起的壓縮功。

流動路徑ik(即相鄰工質(zhì)節(jié)點(diǎn)i和k之間流動管段)上工質(zhì)的動量方程如式(3)所示：

其中,Pup和Pdown分別表示該路徑上游和下游工質(zhì)節(jié)點(diǎn)的壓力,ΔPa、ΔPf和ΔPg分別表示該路徑上的加速壓降、摩擦壓降和重位壓降,Leff,ik和Aeff,ik分別表示該路徑管段的等效長度和等效流通面積。

壁面節(jié)點(diǎn)j能量方程如式(4)所示：

其中,mj和Cj分別表示壁面節(jié)點(diǎn)j的質(zhì)量和比熱,Qjn為該壁面節(jié)點(diǎn)與相鄰的其它壁面節(jié)點(diǎn)、工質(zhì)節(jié)點(diǎn)及外部環(huán)境或施加的熱源/熱沉之間的換熱量。

在蒸發(fā)器工作時,需引入氣液相變界面節(jié)點(diǎn),其控制方程如式(5)所示：

工質(zhì)與壁面的流動換熱系數(shù)為式(6)：

其中,h為對流換熱系數(shù),kf為工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),Nu為努賽爾數(shù)。流動處于層流(Re≤1960)時,Nu＝3.66；否則,流動為湍流(Re＞6420),Nu可由Dittus-Boelter公式計算,如式(7)所示：

其中,工質(zhì)被冷卻時n＝0.3,工質(zhì)被加熱時n＝0.4。而工質(zhì)流動路徑上的壓力損失如式(8)所示：

其中,摩擦阻力系數(shù) f由 Churchill［15］公式確定。

毛細(xì)芯內(nèi)的流動阻力為式(9)：

其中,Kp為毛細(xì)芯滲透率,m為工質(zhì)動力粘度,Ro,wi為毛細(xì)芯外徑,Ri,wi為毛細(xì)芯內(nèi)徑,Lwi為毛細(xì)芯長度。

上述微分-代數(shù)方程構(gòu)成CLHP瞬態(tài)數(shù)值模型。結(jié)合流體工質(zhì)物性參數(shù)庫,以及適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件(一般按照實(shí)際熱邊界狀態(tài)予以設(shè)置)和初始條件(如超臨界啟動計算時可設(shè)置為均勻的超臨界狀態(tài)),即構(gòu)成對CLHP系統(tǒng)的完整描述。

2.3 模型求解

對上述CLHP瞬態(tài)仿真模型,本文采用隱式變步長微分代數(shù)計算法DASSL［16］進(jìn)行求解,方程中的導(dǎo)數(shù)采用1～5階向后差分公式計算,每個求解步長內(nèi),求解器根據(jù)設(shè)定誤差限自動選擇合適的階數(shù)和步長,在維持計算穩(wěn)定性的同時,減少迭代次數(shù)。

2.4 仿真參數(shù)設(shè)定

為了與測試結(jié)果進(jìn)行比較,本文仿真采用了與何江等［4］、郭元東等［5］試驗(yàn)系統(tǒng)相同的參數(shù)：工質(zhì)氖,工作溫區(qū)30～40 K；除毛細(xì)芯體為純鎳粉燒結(jié)外,回路中其他部件均采用不銹鋼。結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 CLHP的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of CLHP

本文計算中,將儲液器、蒸發(fā)器、蒸氣腔、加熱源、儲氣室作為單一節(jié)點(diǎn),主輔回路傳輸管線及冷凝器劃分19個節(jié)點(diǎn),共計29個節(jié)點(diǎn),模擬工況設(shè)置如下：

系統(tǒng)充裝壓力 Psys＝2.1 MPa,環(huán)境溫度Tam＝290 K,熱沉溫度Tsink＝35 K,熱沉與冷凝器及次儲液器之間的熱導(dǎo)hc,s＝240 W/K,暫不考慮環(huán)境漏熱影響,同時,為簡化起見也未考慮重力的影響。初始條件根據(jù)系統(tǒng)可能的物理狀態(tài)人為設(shè)定。需要說明的是,盡管所設(shè)定的初始狀態(tài)并不能保證在流動與傳熱細(xì)節(jié)上完全符合真實(shí)物理約束,但其中非物理真實(shí)引起的差異會在求解過程中自動消除,對計算結(jié)果沒有影響。

郭元東等［5］試驗(yàn)研究了輔蒸發(fā)器熱載荷變化對系統(tǒng)傳輸能力的影響,發(fā)現(xiàn)增大輔蒸發(fā)器熱載荷會減弱系統(tǒng)熱傳輸能力,當(dāng)輔蒸發(fā)器熱載荷大于1.5 W時,這種惡化趨勢更明顯。另一方面,輔蒸發(fā)器熱載荷低于1.5 W時,系統(tǒng)超臨界啟動難以成功。因而,本文計算中輔蒸發(fā)器熱載荷取值為QSE＝1.5 W。主蒸發(fā)器熱載荷QPE采用階梯上升方式給定,分別為0.5 W、1 W、1.5 W、

2 W、3 W和3.5 W,以確定其傳熱性能曲線。

3 仿真結(jié)果與討論

3.1 蒸發(fā)器溫度響應(yīng)

圖2和圖3給出了數(shù)值仿真得到的主蒸發(fā)器壁面溫度TPE,W、輔蒸發(fā)器壁面溫度TSE,W和主蒸發(fā)器槽道內(nèi)工質(zhì)溫度TPE,V、輔蒸發(fā)器槽道內(nèi)工質(zhì)溫度TSE,V及儲氣室壓力Psys隨時間的變化情況。仿真計算中,由于人為設(shè)置的初始條件難以避免非物理性偏差的存在,仿真過程需要額外時間消除其影響,這導(dǎo)致計算開始時系統(tǒng)趨于穩(wěn)定需要更多時間,相比于后續(xù)熱載荷提升時要明顯緩慢得多。

在本文研究參數(shù)范圍內(nèi),主蒸發(fā)器熱載荷增加導(dǎo)致主蒸發(fā)器壁面溫度依次升高,系統(tǒng)壓力僅在1.5 W時略有下降,這主要是系統(tǒng)內(nèi)氣液質(zhì)量比減小造成的,隨著熱負(fù)荷的增加,產(chǎn)生的蒸氣量增加,在管徑不變的條件下,冷凝器中的工質(zhì)流動狀態(tài)向湍流過度增加了冷凝器的冷凝效率,更多的蒸氣冷凝為液相增加了系統(tǒng)中的液相比重。但壓力總體上呈現(xiàn)依次提高的趨勢,而基于局部平衡假設(shè),工質(zhì)溫度與系統(tǒng)壓力變化同步,趨勢相同。由于輔蒸發(fā)器熱載荷維持恒定不變,輔蒸發(fā)器壁面溫度和工質(zhì)溫度之差維持恒定,但同樣存在隨工質(zhì)溫度變化而依次提高的趨勢。

3.2 系統(tǒng)傳熱性能

圖4給出了基于主蒸發(fā)器壁面溫度TPE,W和主蒸發(fā)器熱載荷QPE的CLHP系統(tǒng)傳熱性能曲線。不考慮環(huán)境漏熱及重力的影響,CLHP工作溫度與主蒸發(fā)器熱載荷近似呈線性關(guān)系,只在低熱載荷時存在一定的偏離,工作溫度會略高于線性趨勢預(yù)言的數(shù)值,這與郭元東［5］試驗(yàn)觀測是一致的,后者觀測到CLHP在低負(fù)荷區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行時工作溫度會略高于線性預(yù)測值。

3.3 變熱載荷條件下的系統(tǒng)壓降

圖5 給出了系統(tǒng)主、輔回路總壓降ΔPPL,T和ΔPSL,T隨主蒸發(fā)器熱載荷QPE的變化情況。當(dāng)主蒸發(fā)器熱載荷較小時,主回路壓降低于輔回路壓降；隨著主蒸發(fā)器熱載荷的增加,系統(tǒng)主、輔回路的壓降也隨之增加,且主回路壓降增加得更快；工作溫度的增加則導(dǎo)致表面張力的減小,因此最大毛細(xì)抽力ΔPcap,max略有下降。原則上,CLHP穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時最大毛細(xì)抽力不小于任一回路壓降。圖5中,QPE＝3.5 W時最大毛細(xì)抽力略小于主回路壓降,顯然,毛細(xì)抽力的不足,會使得該狀態(tài)難以穩(wěn)定維持。計算中,人為保持該工況,是為了確定CLHP傳熱極限,即在本文仿真分析的參數(shù)條件下,CLHP傳熱能力將略低于3.5 W。郭元東等［5］研究了充裝壓力對CLHP傳熱能力的影響,相同條件下的數(shù)值約為3.0 W,其間差異0.5 W與系統(tǒng)寄生漏熱量基本一致,從另一個方面驗(yàn)證了本文數(shù)值仿真結(jié)果的可靠性。

3.4 工質(zhì)分布狀態(tài)與系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)變化路徑

圖6 給出了主蒸發(fā)器熱載荷3 W時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中內(nèi)部工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)變化(不包括儲氣室及其連接管線)。圖中,點(diǎn)A和A*、B和B*分別對應(yīng)主、輔蒸發(fā)器毛細(xì)芯內(nèi)氣液界面的氣相側(cè)和液相側(cè),其間的壓力差對應(yīng)著相應(yīng)回路壓降,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時其數(shù)值不能大于最大毛細(xì)抽吸力。由圖可知,蒸發(fā)器受熱導(dǎo)致液體工質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生飽和蒸氣,蒸氣在槽道和氣相管線流動中繼續(xù)吸收熱量和/或壓力下降而轉(zhuǎn)變?yōu)?穩(wěn)態(tài))過熱蒸氣。過熱蒸氣進(jìn)入主冷凝器內(nèi)放熱凝結(jié),轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),經(jīng)主液相管線進(jìn)入主儲液器及輔回路,而主、輔儲液器內(nèi)的飽和液體在毛細(xì)抽吸力作用下再次進(jìn)入蒸發(fā)器毛細(xì)芯內(nèi),隨壓力的下降和毛細(xì)芯導(dǎo)熱轉(zhuǎn)化為亞穩(wěn)態(tài)的過熱液體,并在氣液界面處再次蒸發(fā),形成工質(zhì)的主、輔回路循環(huán)。除儲氣室及其連接管路外,系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)溫度在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下最大變化不超過0.2 K,因此,整個系統(tǒng)將具有極為良好的均溫特性。

圖6中,含液管線內(nèi)部工質(zhì)總是處于飽和狀態(tài),其溫度隨壓力的沿程下降而隨之降低,其路徑與工質(zhì)氣液飽和線相同,這明顯是氣液混合狀態(tài)的表現(xiàn)。查驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)分布狀態(tài)(圖7)可以發(fā)現(xiàn),主、輔回路中冷凝器、儲液器和液體管線內(nèi)氣相干度均處于0～1之間,確實(shí)一直處于氣液兩相混合狀態(tài)。需要注意的是,盡管初始條件假設(shè)了干度為0的純飽和液相狀態(tài),仿真計算中會迅速演變?yōu)闅庖簝上嗷旌蠣顟B(tài)。熱載荷變化時,干度大小會有所調(diào)整,但總體狀態(tài)并未發(fā)生變化。

4 關(guān)于CLHP使役條件的進(jìn)一步討論

Maydanik［17］系統(tǒng)闡述了環(huán)路熱管的使役條件,即能夠穩(wěn)定工作的必要條件。趙建福等［14］將其推廣到具有輔回路的CLHP系統(tǒng),并給出了CLHP穩(wěn)定工作的條件：

1)主、輔回路總壓降均應(yīng)不大于相應(yīng)的主、輔蒸發(fā)器毛細(xì)芯提供的最大毛細(xì)壓力,如式(10)所示：

式中,I＝1和2,分別代表主回路和輔回路。這與一般熱管要求相同,對應(yīng)于毛細(xì)極限情形。

2)主、輔蒸發(fā)器毛細(xì)芯蒸發(fā)面和相應(yīng)的儲液器內(nèi)必須保持足夠的壓差和溫差,且滿足式(11)所示的關(guān)系：

式中,J＝a或s,分別代表主、輔蒸發(fā)器蒸氣槽道飽和蒸氣溫度；K＝k或q,分別代表主、輔儲液器中飽和蒸氣溫度。該條件要求確保啟動時在儲液器里能有足夠液體工質(zhì)。

3)主、輔液相回路不能出現(xiàn)過熱狀態(tài),即式(12)：

式中,L＝h或n分別代表主、輔冷凝器內(nèi)的蒸氣完全凝結(jié)位置,M＝j(luò)或p則分別代表主、輔液相管路出口。該條件的基本要求是液體工質(zhì)不會因壓力下降和環(huán)境漏熱而發(fā)生沸騰。

不過,關(guān)于使役條件(3)的一般解讀,往往沿襲Maydanik［17］的說法,即主、輔液相回路必須保證足夠的過冷度。但是,由圖6和圖7可以明確看到,“足夠的過冷度”要求是對式(12)的過分解讀,事實(shí)上,條件(11)、(12)并不排斥等號的存在,即飽和狀態(tài)也自然是滿足使役條件的。因此,圖8示意出的主、輔液相回路中的過冷狀態(tài),應(yīng)該并不排斥圖6中的飽和變化路徑。

周順濤［18］實(shí)測了氮工質(zhì) CLHP穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時系統(tǒng)溫度分布,在較高充裝壓力時,主冷凝器出口溫度顯著低于主液相管線出口溫度,后者又明顯低于主儲液器溫度,表明在主液相管線內(nèi)流動著的是干度為0的純液相工質(zhì),且確實(shí)處于過冷狀態(tài),寄生漏熱導(dǎo)致工質(zhì)和管壁溫度沿程不斷升高；然而,在較低充裝壓力時,主冷凝器出口溫度要略高于主儲液器溫度,呈現(xiàn)出和本文仿真結(jié)果相同的趨勢。后者只能由氣液兩相混合狀態(tài)來解釋：主冷凝器出口壓力要高于下游的主儲液器,相應(yīng)的飽和溫度也會略高。

周順濤［18］還發(fā)現(xiàn)在較高充裝壓力時,主液相管線出口溫度存在明顯毛刺現(xiàn)象,這被認(rèn)為是因?yàn)檫^冷沸騰的發(fā)生引起的,即過冷工質(zhì)因寄生漏熱與熱載荷變動等相互作用產(chǎn)生沸騰,管線內(nèi)氣泡的產(chǎn)生引起系統(tǒng)顯著波動。這會使得系統(tǒng)在明顯低于其傳熱極限時失穩(wěn),導(dǎo)致運(yùn)行失敗。與此相反,在較低充裝壓力時,主液相管線溫度變化平穩(wěn),擾動被抑制。在郭元東等［5］實(shí)驗(yàn)中也同樣觀測到了類似的充裝壓力對氖工質(zhì)CLHP穩(wěn)定性的影響現(xiàn)象。

上述現(xiàn)象可以從以下事實(shí)得以解釋：主冷凝器出口過冷的純液體工質(zhì)流動過程中受寄生漏熱影響,會在局部達(dá)到過冷沸騰條件,鑒于CLHP內(nèi)部往往充裝的是高純度深低溫工質(zhì),對管壁潤濕性優(yōu)異,相應(yīng)的沸騰起始過熱度會較高,過冷沸騰發(fā)生時伴隨氣泡生成釋放出來的擾動強(qiáng)度大,對系統(tǒng)穩(wěn)定性的擾動強(qiáng),進(jìn)而弱化了系統(tǒng)穩(wěn)定性。而當(dāng)含液管線處于氣液兩相混合狀態(tài)時,天然存在的氣液界面,使得液相受熱蒸發(fā)能夠平穩(wěn)發(fā)生,從而大大抑制了寄生漏熱對系統(tǒng)穩(wěn)定性的擾動。因此,若僅考慮CLHP穩(wěn)定性,含液管線內(nèi)工質(zhì)并不宜處于過冷狀態(tài)。當(dāng)然,較低充裝壓力時,傳熱極限易受毛細(xì)芯供液量不足的限制,需要綜合考慮各方面特性需要,開展優(yōu)化設(shè)計。

5 結(jié)論

本文基于對CLHP工作原理與內(nèi)部工質(zhì)的熱動力學(xué)規(guī)律的認(rèn)識,采用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建了具有輔回路的CLHP瞬態(tài)數(shù)值仿真模型,對穩(wěn)定熱邊界條件下氖工質(zhì)CLHP運(yùn)行性能進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)仿真計算,得到了CLHP穩(wěn)態(tài)工作性能曲線和系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)分布狀態(tài)、熱力學(xué)狀態(tài)變化路徑及系統(tǒng)壓降等,數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)觀測吻合較好,表明所構(gòu)建的CLHP瞬態(tài)數(shù)值仿真模型能夠描述具有輔回路的CLHP內(nèi)部流動與傳熱特性,可以用于系統(tǒng)性能的仿真分析。

基于數(shù)值仿真結(jié)果,特別是對含液管線內(nèi)部工質(zhì)分布狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果,本文對CLHP使役條件進(jìn)行了深入分析,指出傳統(tǒng)觀點(diǎn)要求的“液相回路必須保證足夠的過冷度”屬于過度解讀,其結(jié)果在CLHP無法完全隔絕寄生漏熱的條件下,反而會因液體工質(zhì)的過冷沸騰消弱系統(tǒng)穩(wěn)定性。