戴書剛

1. 南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，南京 210016 2. 重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點試驗室，重慶 400044

尋找導(dǎo)熱的“超導(dǎo)體”一直是熱學(xué)領(lǐng)域?qū)W者們的追求，銀和銅等金屬已經(jīng)是導(dǎo)熱性能較好的材料了，但其導(dǎo)熱系數(shù)也只能達(dá)到102W/(m·K)的數(shù)量級，遠(yuǎn)不能滿足像高超聲速飛行器熱防護(hù)等領(lǐng)域?qū)Ω咝鳠岬男枰?/p>

熱管是一種利用相變原理進(jìn)行高效熱量傳遞的裝置，其工作原理如圖1所示。

圖1 熱管工作原理示意[1]Fig.1 Heat pipe working schematic diagram

當(dāng)有熱源加在熱管的蒸發(fā)段上時，蒸發(fā)段內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)吸收熱量后溫度不斷升高，升高到相變點后發(fā)生相變，變成蒸氣運行到冷凝段放出熱量后冷凝為液態(tài)工質(zhì)，冷凝段內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)在毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)驅(qū)動力的作用下回流到蒸發(fā)段，開始新的循環(huán)，如此不斷循環(huán)，從而高效地將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段。熱管是人們目前所知道的最高效的傳熱元件，通常被譽為導(dǎo)熱的“超導(dǎo)體”。熱管在航天器熱控制和電子設(shè)備散熱等諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[2-3]。

熱管種類繁多，按照工作溫度區(qū)分，可分為低溫?zé)峁?、常溫?zé)峁堋⒅袦責(zé)峁芎透邷責(zé)峁?。一般將工作溫度?50℃以上的熱管稱為高溫?zé)峁堋８邷責(zé)峁艿墓べ|(zhì)通常是鈉、鉀、鋰等堿金屬，因此高溫?zé)峁芤渤３７Q為堿金屬熱管。高溫?zé)峁茉诠ぷ鳒囟群凸べ|(zhì)的物性等方面與中低溫?zé)峁艽嬖谳^大差異，因此高溫?zé)峁苡泻芏嗯c中低溫?zé)峁苊黠@不同的特性。高溫?zé)峁苁菬峁茴I(lǐng)域的熱門研究方向之一，其在高超聲速飛行器熱防護(hù)、空間核反應(yīng)堆冷卻、太陽能利用等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4-7]。

1 高溫?zé)峁茉囼炑芯窟M(jìn)展

高溫?zé)峁艿墓ぷ鳒囟韧容^高，與中低溫?zé)峁芟啾?，高溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)通常為活潑金屬工質(zhì)，其在常溫下往往呈固態(tài)，這給高溫?zé)峁艿闹苽浜驮囼炑芯繋砹溯^大的困難。尤其是對于應(yīng)用在高超聲速飛行器熱防護(hù)場合下的高溫?zé)峁?，其工作溫度最高可達(dá)到1 200℃以上，相應(yīng)的熱量、熱流密度也都比較大，在如此極端的參數(shù)條件下，進(jìn)行地面驗證試驗研究的難度都是比較大的，需要使用高超聲速風(fēng)洞試驗臺[11]等特殊設(shè)備或是耦合加熱技術(shù)[12]，更不用說進(jìn)行飛行驗證試驗研究了[8-9]。高溫?zé)峁艿臍んw材料一般都是耐高溫的非透明的材料，因此也不能采用常規(guī)的可視化手段來進(jìn)行直觀研究，這也增加了試驗研究高溫?zé)峁艿碾y度[10]。

常規(guī)熱管工作過程中僅包含液-氣相變及其逆向相變，且所受的熱負(fù)荷往往是恒定的，而在高溫?zé)峁軕?yīng)用場合所面臨的工作溫度區(qū)域范圍非常寬，尤其是在復(fù)雜交變高熱流密度熱負(fù)荷場合下，其工作過程除了包含上述普通熱管的所有相變過程，往往還包括固-液相變及其逆向相變，比普通熱管的工作過程要復(fù)雜得多。

從以上兩方面可以看出，高溫?zé)峁芊矫娴脑囼炑芯恳绕胀峁艿脑囼炑芯烤哂懈蟮奶魬?zhàn)性，盡管如此，在高溫?zé)峁芾鋬鰡舆^程和傳熱性能的試驗研究方面，國內(nèi)外學(xué)者還是努力克服困難，開展了大量的研究，取得了初步的成果，這些研究可總結(jié)歸納為如下幾個方面。

1.1 放置傾角的影響

于萍[13]等通過試驗研究了高溫?zé)峁艿膯有阅?，結(jié)果表明放置傾角對高溫?zé)峁艿膯犹匦杂兄黠@的影響：水平放置啟動時，絕熱段出現(xiàn)溫升速度“滯后”的現(xiàn)象，而傾斜放置啟動時，沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。丁莉等[14]對特定結(jié)構(gòu)的高溫?zé)峁苓M(jìn)行了試驗研究，考察了放置傾角對高溫?zé)峁軉有阅艿挠绊?，結(jié)果顯示輸入功率越大，高溫?zé)峁艿膯訒r間越短，熱管放置傾角對啟動性能影響不大，傾斜角度從0°增加到90°，熱管蒸氣流動轉(zhuǎn)變溫度相同，啟動時間相同，平衡溫度也相同。牛濤等[15]設(shè)計并制備了鈉工質(zhì)、高溫合金管殼的絲網(wǎng)型高溫?zé)峁?，測試并分析了在輻射和自然對流散熱條件下不同加熱功率和不同傾角對熱管啟動特性和穩(wěn)態(tài)工作后等溫性能的影響。結(jié)果表明：鈉高溫?zé)峁茉诓煌瑑A角下都可順利啟動，而且隨著加熱功率的增加，鈉高溫?zé)峁軉訒r間縮短，但傾角對啟動時間影響不大，在倒置45°和倒置90°傾角時，在較大功率下熱管的蒸發(fā)段出現(xiàn)溫度激增現(xiàn)象，并認(rèn)為這是由于絲網(wǎng)吸液芯毛細(xì)力不足導(dǎo)致蒸發(fā)段出現(xiàn)工質(zhì)干涸造成的。郭青等[16]通過試驗研究了放置傾角對鈉鉀合金熱管啟動特性的影響，結(jié)果表明傾角的增加(在0°～50°的范圍內(nèi))不僅使冷凝段溫度上升，而且有利于熱管的啟動。衛(wèi)光仁等[17]對一種干道式高溫?zé)峁艿膫鳠嵝阅苓M(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明熱管蒸發(fā)段向下傾斜或蒸發(fā)段向上傾斜時，傳熱極限數(shù)據(jù)與水平放置時基本相同，并認(rèn)為在±10°范圍內(nèi)重力對傳熱極限無影響。沈妍等[18]對高溫?zé)峁茉诮蛔児β氏碌膫鳠嵝阅苓M(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明：高溫?zé)峁茉诤愣訜峁β氏聠?，以及在平均功率與之相等的周期交變功率下啟動，兩者的啟動時間和啟動溫度是基本相等的；另外，該高溫?zé)峁茉?°和45°傾角和交變功率下運行，0°傾角的情況較45°傾角的情況均溫性更好。上述6項研究得出的結(jié)論是有分歧的，也就是放置傾角對高溫?zé)峁軉有阅艿降子惺裁礃拥挠绊懀唧w的影響規(guī)律還沒有得到充分的認(rèn)識。

1.2 工質(zhì)物性參數(shù)及充裝量的影響

高溫?zé)峁苁且揽績?nèi)部工質(zhì)的不斷蒸發(fā)和冷凝來實現(xiàn)高效傳熱的，不同工質(zhì)的高溫?zé)峁芫哂胁煌墓ぷ鳒囟葏^(qū)間，采用不同工質(zhì)也會影響到高溫?zé)峁軞んw材料的選擇，工質(zhì)的選擇對高溫?zé)峁艿男阅芎椭圃爝^程都有著重要的影響。捷曼爾M.G.等[19]采用室溫下呈液態(tài)的鈉鉀合金作為工質(zhì)制作高溫?zé)峁?，并通過試驗研究了其啟動特性、等溫性及傳熱性能，結(jié)果表明：鈉鉀熱管與鉀熱管相比，兩者的啟動特性、等溫性能基本一致，但鈉鉀熱管的傳熱性能更好一些；與鈉熱管相比，鈉鉀合金熱管的啟動性能更佳。不同工質(zhì)具有不同的物性參數(shù)，從而具有不同的品質(zhì)因數(shù)，因而不同工質(zhì)的高溫?zé)峁艿膯犹匦院蛡鳠嵝阅鼙厝皇怯胁町惖?。在寬溫區(qū)、復(fù)雜交變高熱密度熱負(fù)荷條件下，工質(zhì)物性參數(shù)是否對高溫?zé)峁芾鋬鰡雍婉詈蟼鳠嵝阅墚a(chǎn)生更大的影響？這也有待開展進(jìn)一步的研究才能探明。

工質(zhì)充裝量對高溫?zé)峁軉雍蛡鳠嵝阅芤灿兄^大的影響，工質(zhì)充裝量若過少，則會導(dǎo)致蒸發(fā)段的工質(zhì)全部蒸發(fā)完后，液態(tài)工質(zhì)不能及時回流和補充，從而發(fā)生蒸干現(xiàn)象，最終導(dǎo)致高溫?zé)峁苓\行失效；工質(zhì)充裝量若過多，除了給系統(tǒng)增加了多余的質(zhì)量，過量的工質(zhì)還可能會積聚在冷凝段末端，形成液體塞，阻塞這部分冷凝段使其不能工作，從而影響整體的性能。不同尺寸大小的熱管所需要的工質(zhì)充裝量自然是不一樣的，研究時一般將其無量綱化為工質(zhì)充裝率，即工質(zhì)充裝體積量與熱管內(nèi)的蒸發(fā)器容積的比率。

最佳的工質(zhì)充裝率一直是國內(nèi)外高溫?zé)峁芟嚓P(guān)研究人員探索的熱點。Boo等[20]以熱管的等效導(dǎo)熱系數(shù)、最大傳熱溫差等性能作為評價依據(jù)，研究了工質(zhì)充裝量對不銹鋼-鈉熱管傳熱性能的影響，結(jié)果表明：對于試驗所用的特定參數(shù)的高溫?zé)峁?，最佳的工質(zhì)充裝率為蒸發(fā)器容積的32%。鄧代英等[21]對以鈉為工質(zhì)的熱管的啟動性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：工質(zhì)充裝量在10～25 g的范圍內(nèi)，工質(zhì)充裝量越少，熱管啟動所需的時間就越短。趙蔚琳等[22]對不同工質(zhì)充裝量的鈉熱管進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明鈉熱管內(nèi)工質(zhì)充裝量過多或過少都將影響熱管啟動性能，只有合適的工質(zhì)充裝量才能使鈉熱管啟動運行正常。

現(xiàn)有研究還沒有對高溫?zé)峁茏罴训墓べ|(zhì)充裝率給出清楚而準(zhǔn)確的描述，還有待開展進(jìn)一步的研究。

1.3 結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)的影響

趙蔚琳等[22]通過試驗研究了蒸發(fā)段長度對高溫?zé)峁軉有阅艿挠绊?，結(jié)果表明蒸發(fā)段的長度變化對高溫?zé)峁軉舆^程有很大影響，蒸發(fā)段長度太短，將導(dǎo)致高溫?zé)峁軉邮?。郭青等[23]研究了蒸發(fā)段長度和冷凝段長度對鈉鉀合金重力熱管啟動特性的影響，通過試驗測量了改變蒸發(fā)段和冷凝段長度時，鈉鉀合金熱管的外壁面溫度分布曲線，研究表明：增加蒸發(fā)段長度有利于熱管外壁面溫度分布趨于均勻，但沿?zé)峁苷舭l(fā)段軸向液池區(qū)域范圍內(nèi)仍存在一定的溫差。曲偉等[24-25]在對分別以鈉、鋰為工質(zhì)的高溫?zé)峁苓M(jìn)行研究后認(rèn)為，優(yōu)化高溫?zé)峁艿慕Y(jié)構(gòu)和加工工藝將有利于高溫?zé)峁艿膯雍瓦\行，若啟動前工質(zhì)處于固態(tài)，應(yīng)對啟動功率進(jìn)行控制，避免啟動過程中工質(zhì)全部熔化前出現(xiàn)“蒸干”現(xiàn)象。從以上結(jié)果可以看出，熱管的結(jié)構(gòu)尺寸(含蒸發(fā)段的尺寸)對高溫?zé)峁艿膯有阅芤彩怯休^大影響的，尤其是在寬溫區(qū)、復(fù)雜交變的高熱流密度熱負(fù)荷的條件下，蒸發(fā)器受熱的區(qū)域位置和大小以及熱流密度都是變化的。在此條件下高溫?zé)峁艿睦鋬鰡雍婉詈蟼鳠嵝阅苓€沒有被清楚地描述，有待開展進(jìn)一步的研究。

高溫?zé)峁芡Ｖ构ぷ鲿r，不同的冷卻方式和參數(shù)會使工質(zhì)凝結(jié)在不同的位置，這是否對高溫?zé)峁艿脑俅螁舆^程產(chǎn)生影響？對此問題，于萍等[26]通過試驗研究了采用組合式吸液芯的高溫?zé)峁茉谕Ｖ构ぷ鲿r不同的傾斜角度和冷卻水流量對高溫?zé)峁茉俅螁拥挠绊懀⑴c采用三角溝槽吸液芯的高溫?zé)峁苓M(jìn)行對比，結(jié)果表明，組合式吸液芯高溫?zé)峁芎腿菧喜畚盒靖邷責(zé)峁芡Ｖ构ぷ鲿r，不同的冷卻水流量、不同的放置角度對高溫?zé)峁茉俅螁有阅艿挠绊懢^小。但上述研究僅考察了其中兩個可能影響高溫?zé)峁茉賳有阅艿囊蛩?，而且熱管的尺寸較小(總長度為400 mm，其中蒸發(fā)段長度為240 mm)，且材料和結(jié)構(gòu)形式單一，對于其它材料、結(jié)構(gòu)和尺寸的高溫?zé)峁苁欠駮型瑯拥慕Y(jié)論，還有待進(jìn)一步的確認(rèn)。

毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對熱管的傳熱性能有著重要的影響，目前高溫?zé)峁艿拿?xì)芯主要采用絲網(wǎng)芯、金屬氈、槽道及它們的組合形式[27-28]，在高溫?zé)峁苊?xì)芯的優(yōu)化和精確設(shè)計方面，目前相關(guān)的報道還比較少，值得開展進(jìn)一步的研究。

1.4 不凝氣體的影響

在不凝氣體對二次相變高溫?zé)峁艿膯雍蛡鳠嵝阅艿挠绊懛矫?，國?nèi)外學(xué)者也開展了一定的研究。Ochterbeck等[29]采用一維的瞬態(tài)分析模型研究了不凝氣體對高溫?zé)峁軓墓べ|(zhì)凝固狀態(tài)下啟動的影響，結(jié)果表明：不凝氣體對熱管啟動有較大的幫助，如無不凝氣體，在毛細(xì)芯內(nèi)的工質(zhì)熔化前便發(fā)生了“蒸干”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致熱管啟動失敗。He等[30]研究了4種不同初始工質(zhì)分布條件下不凝氣體對熱管啟動性能的影響，結(jié)果表明：對于不同的啟動條件，不凝氣體對啟動性能的影響存在較大的差異。Martin等[31]對不銹鋼-鈉高溫?zé)峁苓M(jìn)行了試驗研究，研究結(jié)果表明熱管中存在的不凝氣體會導(dǎo)致冷凝端末端區(qū)域溫度明顯偏低，且整個冷凝器的溫度會有較大的溫度波動。Ponnappan等人[32-33]的研究結(jié)果也表明：高溫?zé)峁茉诠べ|(zhì)呈固態(tài)狀態(tài)下啟動是比較復(fù)雜和困難的，加入一定的不凝氣體后啟動明顯變得容易了，但加入不凝氣體的同時也會產(chǎn)生一些副作用。高溫?zé)峁茉谔罩凶迎h(huán)境下使用時，會誘導(dǎo)產(chǎn)生越來越多的不凝氣體，從而會導(dǎo)致熱管傳熱性能的不斷下降，因此不凝氣體對熱管的綜合影響還有待進(jìn)一步的評估，這也是高溫?zé)峁芗夹g(shù)面臨的一個挑戰(zhàn)[34]。

本文認(rèn)為，高溫?zé)峁懿牧?、結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)不同，工質(zhì)的物性參數(shù)、充裝量及初始分布不同，當(dāng)放置傾角也不同時，還會進(jìn)一步影響到重力對工質(zhì)從冷凝段回流到蒸發(fā)段的作用效果，從而必定會影響到高溫?zé)峁艿膯犹匦院蛡鳠嵝阅埽坏歉邷責(zé)峁艿目尚泄ぷ鲄^(qū)域很寬，在大部分工作區(qū)域可能無法觀察到上述的影響，這里面的詳細(xì)規(guī)律還有待進(jìn)一步的研究。

2 高溫?zé)峁軘?shù)值模擬研究進(jìn)展

在常規(guī)條件下的高溫?zé)峁芾鋬鰡舆^程和傳熱特性的數(shù)值模擬方面，國內(nèi)外學(xué)者也開展了一定的研究。Cao和Faghri等[35]針對高溫?zé)峁軉舆^程提出了一個兩區(qū)域模型，該模型將連續(xù)蒸氣流區(qū)域和稀薄蒸氣流區(qū)域分開計算，在連續(xù)蒸氣區(qū)采用可壓縮的Navier-Stokes方程，在稀薄蒸氣區(qū)采用蒸氣的質(zhì)量自擴散方程，然后用合適的邊界條件將這兩個區(qū)域聯(lián)接起來，基于上述兩區(qū)域模型的數(shù)值計算結(jié)果與相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)吻合良好。Tournier等[36]基于塵氣模型(Dusty gas model)建立了一個包含蒸氣自由分子流、過渡流和連續(xù)流3種類型流動的高溫?zé)峁艿膯舆^程瞬態(tài)分析模型，數(shù)值計算結(jié)果得到的熱管壁面溫度和試驗測量值吻合良好，研究結(jié)果顯示：在蒸發(fā)段受熱后，熱管毛細(xì)芯內(nèi)的固態(tài)金屬鈉首先沿著徑向熔化，當(dāng)蒸發(fā)段的金屬鈉全部熔化之后才開始軸向熔化，隨后蒸發(fā)段內(nèi)的液態(tài)鈉開始蒸發(fā)，最后慢慢由過渡流變?yōu)檫B續(xù)流。鄧代英等[21]結(jié)合尖前緣氣動加熱環(huán)境分布特點進(jìn)行計算節(jié)點劃分，采用熱管基本理論和局部能量守恒原理計算熱管溫度分布及“溫度鋒面”位置，建立了一種用于分析不規(guī)則外形且承受非均勻瞬態(tài)氣動加熱的一體化尖前緣高溫?zé)峁軉有阅苡嬎惴椒?。袁園等[37-38]采用數(shù)值模擬的方法研究了特定應(yīng)用場合下高溫?zé)峁軓睦鋺B(tài)零功率到滿功率的啟動特性，獲得了熱管溫度在啟動過程中的變化情況。沈妍等[39]采用高溫?zé)峁艿木W(wǎng)絡(luò)模型對高溫?zé)峁苓M(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了高溫?zé)峁艿臒嶙枧c輸入功率、管殼材料的導(dǎo)熱系數(shù)、管殼的壁厚、毛細(xì)芯的導(dǎo)熱系數(shù)以及冷凝段長度的初步影響規(guī)律。

從以上結(jié)果可以看出，采用數(shù)值模擬的手段研究高溫?zé)峁艿膯雍凸ぷ鬟^程是可行的，但目前相關(guān)的研究還比較少。如果進(jìn)行試驗研究的話，首先要制備相應(yīng)參數(shù)的高溫?zé)峁?，且高溫?zé)峁茉谠囼炦^程中容易損壞[40]，因而試驗研究的案例數(shù)量往往比較有限且成本較高。將試驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合，才能更好地探明高溫?zé)峁芾鋬鰡雍瓦\行規(guī)律以及復(fù)雜的傳熱特性。

3 高溫?zé)峁軕?yīng)用研究進(jìn)展

3.1在高超聲速飛行器熱防護(hù)中的應(yīng)用

高超聲速飛行器在飛行過程中遭遇到極其嚴(yán)酷的氣動加熱環(huán)境，導(dǎo)致表面溫度極高，在飛行馬赫數(shù)為6～8的時候，駐點溫度就達(dá)到了1 600～2 600℃[41-43]。隨著飛行馬赫數(shù)的增加，溫度還會變得更高。熱防護(hù)問題已成為高超聲速飛行器發(fā)展中的關(guān)鍵制約因素和主要技術(shù)瓶頸，是制約高超聲速飛行器最終服役能力的關(guān)鍵科學(xué)問題[44-48]。利用高溫?zé)峁軇t有望可以很好地解決此問題：其將頭錐、尖翼前緣等局部熱流集中區(qū)域產(chǎn)生的熱量快速傳輸?shù)綑C身、機翼上的其他部位并加快熱量向周圍環(huán)境傳遞，從而可明顯降低頭錐、尖翼前緣等局部的溫度，減輕這些部位的耐溫壓力，而且采用高溫?zé)峁艿臒岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)是非燒蝕的，從而可重復(fù)利用，這是燒蝕式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)無法比擬的。在現(xiàn)有的研究中，高溫?zé)峁茉陲w行器中的位置通常如圖2所示，考慮對稱性，在數(shù)值分析時，則采用圖3所示的分析模型。

圖2 高溫?zé)峁茉陲w行器中的位置示意[1]Fig.2 The local geometry of high-temperature heat pipe in an air vehicle

圖3 飛行器中的高溫?zé)峁芊治瞿Ｐ蚚49]Fig.3 The analysis model of high-temperature heat pipe in an air vehicle

在高超聲速飛行器熱防護(hù)領(lǐng)域，使用高溫?zé)峁艿男Ч秋@著的，Bai等[50]對高超聲速飛行器高溫?zé)峁軣岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)的效果進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明：在高超聲速飛行器熱防護(hù)中采用高溫?zé)峁?，可使駐點溫度從1 926℃降到982℃，效果十分顯著。李鋒等[12]對一種新型的熱管疏導(dǎo)式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同等條件下，與高導(dǎo)熱C/C的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，熱管疏導(dǎo)式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠使駐點溫度下降338℃，降溫幅度達(dá)到23%。陳連忠等[51]利用電弧加熱風(fēng)洞產(chǎn)生的高溫、高速氣流，模擬高超聲速飛行器高溫區(qū)的氣動加熱環(huán)境，對一種裝有高溫?zé)峁艿暮唵蔚那蛑卧硇阅Ｐ瓦M(jìn)行了加熱試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高溫?zé)峁苣軌蛴行У貙⒛Ｐ透邷貐^(qū)熱量傳導(dǎo)到低溫區(qū)，裝有高溫?zé)峁苣Ｐ偷鸟v點溫度明顯降低，顯示出了良好的防熱效果。Xie等[49]采用二維數(shù)值分析模型，研究了高超聲速飛行器尖前緣內(nèi)置高溫?zé)峁艿男阅埽Y(jié)果表明，采用高溫?zé)峁芎螅瑹狳c溫度能夠降低了383℃，機翼上的溫度差異從533℃減小到40℃，減幅達(dá)92.5%。Liu等[52]的數(shù)值分析結(jié)果表明，高超聲速飛行器尖前緣采用鈉為工質(zhì)的高溫?zé)峁苤?，駐點溫度從1 637.6℃降低到1 348.9℃，降幅達(dá)288.7℃。孫健和劉偉強等[53]分析了給定工況下內(nèi)嵌以鋰為工質(zhì)的高溫?zé)峁芮熬壗Y(jié)構(gòu)的熱防護(hù)效果，結(jié)果顯示壁面最高溫度下降了11.6%。王煥光等[54]采用數(shù)值模擬的方法研究了一種一體化楔形腔體熱管的高超聲速飛行器熱防護(hù)方案，結(jié)果表明：熱管的存在使得殼體內(nèi)的熱流路徑發(fā)生了根本性變化，由平行于殼體變?yōu)榇怪庇跉んw，這使得熱阻由與殼體的長度成正比，變?yōu)榕c殼體厚度成正比，從而使得溫差大幅降低，最終降低了翼前緣的溫度。劉冬歡等[55]研究了接觸熱阻對內(nèi)置高溫?zé)峁苁鑼?dǎo)式熱防護(hù)效果的影響，結(jié)果表明：采用預(yù)留裝配間隙的方法可以有效降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，但同時使得界面接觸熱阻增加，從而使得結(jié)構(gòu)駐點溫度升高，因此在采用預(yù)留間隙設(shè)計時必須在考慮界面接觸熱阻的條件下從結(jié)構(gòu)強度和溫度兩方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評估。

國外已經(jīng)將包含有高溫?zé)峁艿臒岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)用于高超聲速飛行器翼前緣的熱管理，并進(jìn)行了多輪地面測試和飛行驗證測試[1, 25, 34, 56]。國內(nèi)在內(nèi)置高溫?zé)峁軣岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)方面的研究還處在起步階段，高溫?zé)峁芗夹g(shù)經(jīng)多年的攻關(guān)已突破了高溫工作環(huán)境( 工作溫度>1000 K，傳熱能力>5 MW/m2)、小型化和異型體制造技術(shù)(異型一體化高溫?zé)峁芮熬夘^部半徑<1.5 mm)[12]，在高溫?zé)峁軣岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)工程化之前，有很多關(guān)鍵機理問題需要深刻理解和解決[45, 53, 57- 58]。

高溫?zé)峁茈m然有很大的傳熱能力，但也受許多因素制約。高溫?zé)峁艽嬖谝幌盗械膫鳠針O限，限制高溫?zé)峁軅鳠崮芰Φ闹饕锢頇C制為毛細(xì)力、聲速、沸騰、冷凝、攜帶、連續(xù)蒸氣、粘性及冷凍啟動等。

將上述高溫?zé)峁芸赡苡龅降膫鳠針O限的圖線畫出來，所有曲線族疊加在一起，就形成了高溫?zé)峁艿目尚泄ぷ鲄^(qū)域。高溫?zé)峁茉趯嶋H應(yīng)用時，實際工作點只能落在上述的可行工作區(qū)域內(nèi)，也只有這樣，高溫?zé)峁懿拍馨l(fā)揮高效傳熱的作用。高溫?zé)峁艿膫鳠針O限曲線族的確定方法非常復(fù)雜，這方面的報道還很鮮見。Steeves等[59]研究了某特定結(jié)構(gòu)尺寸的高超聲速飛行器尖緣平面型高溫?zé)峁艿膫鳠嵝阅?，該研究包含兩種工況：工況一的飛行馬赫數(shù)為6，飛行高度為26.9 km，高溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)為鈉；工況二的飛行馬赫數(shù)為8，飛行高度為30.8 km，高溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)為鋰。對于上述兩種工況，高溫?zé)峁艿墓ぷ鼽c均落在可行的工作區(qū)域內(nèi)，分別如圖4和圖5所示。如果將上述應(yīng)用在工況一中的高溫?zé)峁軕?yīng)用到工況二的場合，此時的高溫?zé)峁芎芸赡軙龅椒序v極限，導(dǎo)致其傳熱能力受限，從而影響其傳熱性能。對于不同工質(zhì)物性參數(shù)、不同工質(zhì)充裝率、不同毛細(xì)芯特征參數(shù)、不同工作溫度、不同結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的高溫?zé)峁?，其毛?xì)極限、聲速極限和沸騰極限是不同的。

圖4 鈉熱管的可行工作區(qū)域示意[59]Fig.4 Viable operating region of sodium heat pipe

圖5 鋰熱管的可行工作區(qū)域示意[59]Fig.5 Viable operating region of lithium heat pipe

3.2 在核反應(yīng)堆冷卻中的應(yīng)用研究進(jìn)展

熱管冷卻反應(yīng)堆在目前的核反應(yīng)堆相關(guān)研究中，是一種重要候選堆型，因為熱管換熱器具有不需外加動力、安全可靠、傳熱效率高等優(yōu)勢，受到了廣泛關(guān)注，具有很好的發(fā)展前景。

劉松濤等[60]以典型熱管冷卻空間反應(yīng)堆(SAIRS)為對象，針對其各個模塊進(jìn)行建模，研制了基于SAIRS的系統(tǒng)瞬態(tài)計算程序(TAPIRS)，并用該程序分析了反應(yīng)堆的3種典型瞬態(tài)工況。計算結(jié)果表明：在控制鼓故障引入極大反應(yīng)性、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置(AMTEC)部分失效和散熱板喪失部分散熱面積等事故工況下，反應(yīng)堆運行在安全限值以下，驗證了熱管冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)在事故工況下具有應(yīng)對單一故障和自穩(wěn)自調(diào)的能力。

王成龍等[61]通過數(shù)值方法研究了高溫鈉熱管在熔鹽堆事故工況下的瞬態(tài)運行特性，最終得到高溫鈉熱管啟動過程中的溫度、速度、壓力分布，結(jié)果表明：熔鹽堆事故狀態(tài)下，鈉熱管從啟動到穩(wěn)態(tài)過程中，其運行特性良好并且具有很高的傳熱效率，說明將高溫鈉熱管應(yīng)用到新概念熔鹽堆中可以有效提高熔鹽堆的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

Sviridenko等[62]針對烏克蘭壓水堆WWER-640/1000中的二次側(cè)非能動余熱排出(PRHR)系統(tǒng)，提出了基于熱管的輔助堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)。事故工況下來自堆芯的熱流體進(jìn)入熱管換熱器，經(jīng)過熱管蒸發(fā)段后自身被冷卻，回流到堆芯形成自然循環(huán)。

葛攀和等[63]對一個星表核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)進(jìn)行了熱工概念設(shè)計，在其設(shè)計中，采用鋰熱管冷卻堆芯，熱管冷凝端通過一個固體換熱器與斯特林熱端相連接，進(jìn)而傳導(dǎo)熱量進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。并且通過熱工計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)堆芯某一位置處熱管發(fā)生失效，在不降低輸出功率的情況下，其余熱管仍能將堆芯熱量導(dǎo)出，即具有避免單點失效的優(yōu)點。

Jouhara等[64]在原有的核能海水淡化系統(tǒng)中加入熱管換熱器和中間隔離回路，大大降低了廢水對環(huán)境造成的熱污染，且由于熱管換熱效率很高，無需外加動力，相關(guān)回路可實現(xiàn)非能動自然循環(huán)。另外同樣地，單根熱管失效不會影響整體換熱器的工作，避免單點失效，大大降低檢修成本。

總的來說，熱管在先進(jìn)反應(yīng)堆中有著廣泛的運用，在提高反應(yīng)堆安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、實現(xiàn)非能動自主運行以及簡化堆芯結(jié)構(gòu)等方面有著重要作用，熱管冷卻反應(yīng)堆在千瓦級空間堆領(lǐng)域也是未來的主要發(fā)展方向。另外，由于熱管的傳熱效率受溫度限制，且堆芯所需熱管較多等因素，熱管在先進(jìn)反應(yīng)堆中的應(yīng)用仍有一些問題，需要進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。

3.3 在太陽能利用中的應(yīng)用研究進(jìn)展

在太陽能利用領(lǐng)域，熱管起到的作用主要是改善溫度和熱流量分布均勻性，提高裝置系統(tǒng)效率，以及改善空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件吸熱蓄熱器的體積和質(zhì)量參數(shù)等，是太陽能利用領(lǐng)域中運用十分廣泛并且非常重要的傳熱元件。

在碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，最重要的部件是接收器，目前高溫?zé)峁芙邮掌魇且环N效率高、應(yīng)用廣泛的選擇。許輝等[65]比較了整體熱管式接收器、徑向高溫?zé)峁芙邮掌鳌⒔M合式高溫?zé)峁芙邮掌?，并提出了高溫?zé)峁芴柲芙邮掌鞯目煽啃栽u估模型，發(fā)現(xiàn)組合式高溫?zé)峁芙邮掌鞯目煽啃宰罡?，在單體故障的情況下，依然能夠保證系統(tǒng)正常運行。這種組合式熱管接收器與傳統(tǒng)的熱管接收器相比，突破了單個熱管為主體的界限，采用多根柱形熱管組成吸熱腔。柱形熱管加工制造技術(shù)很成熟，實際上方便了接收器的制造，降低了成本，并且每根熱管獨立工作，單根熱管的故障不會影響其它熱管，大大提高了接收器的可靠性。

張紅等[66]研究了組合式高溫?zé)峁芙邮掌髦袩峁艿年P(guān)鍵參數(shù)，確定了熱管工質(zhì)、管殼材料以及吸液芯結(jié)構(gòu)三個方面的選擇，研究結(jié)果表明：堿金屬鈉比較適合作為高溫?zé)峁芄べ|(zhì)，Haynes 230合金綜合性能最適宜作為管殼材料，選取WB 8/300型金屬氈作為毛細(xì)芯的原材料，并且采用溝槽與金屬氈結(jié)合的復(fù)合毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)方案效果最好。

吳興應(yīng)等[67]研制了一種熱管式太陽能光電-熱一體化(PV-T)系統(tǒng)，測試了該系統(tǒng)裝置的光電效率、熱效率，并建立數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)的光電效率、熱效率等熱力性能進(jìn)行了計算和分析，結(jié)果表明：將熱管應(yīng)用于太陽能光電-熱一體化系統(tǒng)，在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的同時，降低了太陽能電池的工作溫度，從而使其光電效率提高，還回收了部分熱能，可以大大提高系統(tǒng)的能量利用效率。

在空間太陽能利用領(lǐng)域，NASA于1985年提出了熱管式吸熱器，吸引了世界各國學(xué)者的研究和關(guān)注。美國Allied-signal公司提出了布雷頓式熱管吸熱器，其設(shè)計主要原理是在吸熱器腔內(nèi)加入一系列鈉熱管，通過熱管將太陽能均勻地傳給相變材料和循環(huán)工質(zhì)。在該種吸熱器中，分為吸熱段、蓄熱段和熱源換熱器段。吸熱段中鈉熱管代替以往的相變材料吸收太陽熱流，解決了熱流密度不均勻帶來的問題；蓄熱段中在熱管外加上一系列封裝在蓄熱容器中的相變材料，容器相互間隔并襯以陶瓷纖維墊片，避免單點失效，提升了可靠性；熱源換熱器段中，熱管加以肋化表面外殼，與循環(huán)工質(zhì)接觸換熱。徐偉強等[68]參照上述布雷頓式熱管吸熱器，基于焓法建立了單元熱管耦合傳熱的物理和數(shù)學(xué)模型，數(shù)值計算了熱管壁溫、蓄熱容器壁溫、循環(huán)工質(zhì)出口溫度及相變材料熔化率等參數(shù)，并與基本型吸熱器進(jìn)行比較，驗證了熱管吸熱器明顯改善了溫度分布的均勻性和相變材料的熔化率。

曾金令等[69]研制了一種核心部件為高溫異型熱管(HTSHP)的新型太陽能高溫相變反應(yīng)器，并用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析HTSHP的熱承載能力，結(jié)果表明，HTSHP的均溫性和傳熱能力較好，熱應(yīng)力集中于過渡連接的熱板內(nèi)壁上，最大應(yīng)力為24.6MPa，滿足鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。

高溫?zé)峁芗夹g(shù)在太陽能利用領(lǐng)域十分重要，無論是太陽能熱發(fā)電、光伏發(fā)電，或者是太陽能高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化的應(yīng)用，都需要熱管技術(shù)的支持。而且，高溫?zé)峁苁轿鼰崞鞯膬?yōu)越性能，也對未來空間站的太陽能動力系統(tǒng)的建立具有很大意義，其試驗與研發(fā)，是中國航天事業(yè)的一項重要任務(wù)。

4 結(jié)束語

高溫?zé)峁艿膫鳠嵝阅芎?，在高超聲速飛行器熱防護(hù)、空間核反應(yīng)堆冷卻、太陽能利用等工作溫度較高的應(yīng)用場合，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有研究對高溫?zé)峁艿睦鋬鰡犹匦?、傳熱極限以及工質(zhì)物性參數(shù)和充裝量的影響、不凝氣體的影響等方面開展了試驗和模擬研究，也對高溫?zé)峁茉诟叱曀亠w行器熱防護(hù)、空間核反應(yīng)堆冷卻、太陽能利用等方面的應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究，取得了初步的研究成果，但還存在以下幾方面的問題：

1)放置傾角，工質(zhì)物性參數(shù)，工質(zhì)充裝量，高溫?zé)峁懿牧?、結(jié)構(gòu)和尺寸，不凝氣體含量對高溫?zé)峁芾鋬鰡雍蛡鳠嵝阅艿挠绊懸?guī)律還沒有完全研究清楚。

2)采用數(shù)值模擬的手段研究高溫?zé)峁艿膯雍凸ぷ鬟^程是可行的，但目前數(shù)值分析的模型還不夠完善，數(shù)值模擬的研究案例還比較少。試驗研究的案例數(shù)量有限且成本較高，將試驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合，才能更好地探明高溫?zé)峁芾鋬鰡雍瓦\行的規(guī)律以及復(fù)雜的傳熱特性。

3)高溫?zé)峁艿膽?yīng)用研究還不夠充分，在高溫?zé)峁艽笠?guī)模推廣應(yīng)用之前，還需要積累更多的試驗數(shù)據(jù)，包括隨機初始狀態(tài)、復(fù)雜交變高熱流熱負(fù)荷、與機體一體化設(shè)計等方面對高溫?zé)峁軐嶋H工作過程、可行工作區(qū)域和壽命等方面的實際影響等都有待開展深入的研究。

國外雖然對高溫?zé)峁芗夹g(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量而深入的研究，包括多次飛行試驗驗證，但并沒有對外報道詳細(xì)和足夠的技術(shù)細(xì)節(jié)，國內(nèi)學(xué)者需要自行開展這方面的研究，才能切實掌握高溫?zé)峁艿年P(guān)鍵技術(shù)，并最終將其應(yīng)用在高超聲速飛行器熱防護(hù)、空間核反應(yīng)堆冷卻和太陽能利用等方面。

后續(xù)研究應(yīng)采用試驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探索在高超聲速飛行器熱防護(hù)、空間核反應(yīng)堆冷卻、太陽能利用等應(yīng)用條件下高溫?zé)峁艿睦鋬鰡舆\行規(guī)律和耦合傳熱特性。對大功率、高熱流負(fù)荷條件下高溫?zé)峁芾鋬鰡舆\行規(guī)律進(jìn)行研究，按高溫?zé)峁軆?nèi)工質(zhì)所呈的相態(tài)、分布位置和流動狀態(tài)，分為多個階段分別進(jìn)行研究，并考察不同放置傾角、不同工質(zhì)充裝率、不同工質(zhì)物性參數(shù)、不同毛細(xì)芯特征參數(shù)和大功率、高熱流密度熱負(fù)荷耦合作用下高溫?zé)峁艿睦鋬鰡舆\行規(guī)律，從而能夠揭示出高溫?zé)峁茉诖蠊β?、高熱流密度熱?fù)荷、冷凍狀態(tài)且無輔助的加熱措施便能夠順利啟動運行的條件。

對大功率、高熱流負(fù)荷條件下高溫?zé)峁艿膫鳠針O限曲線族進(jìn)行研究，總結(jié)歸納出高溫?zé)峁艿目尚泄ぷ鲄^(qū)域的確定方法以及實際工作點的動態(tài)變化特性，開發(fā)高溫?zé)峁軐嶋H工作點的預(yù)測方法和可行工作區(qū)域的拓寬方法。通過研究工質(zhì)物性參數(shù)、工質(zhì)充裝率、毛細(xì)芯的孔隙率和厚度等特征參數(shù)對大功率、高熱流密度熱負(fù)荷條件下高溫?zé)峁軅鳠嵝阅艿挠绊?，結(jié)合實際限制高溫?zé)峁軅鳠嵝阅艿臉O限“短板”情況，研究和發(fā)展通過優(yōu)化毛細(xì)芯的孔隙率和結(jié)構(gòu)尺寸等特征參數(shù)、優(yōu)化工質(zhì)的充裝率、優(yōu)化工質(zhì)的物性參數(shù)(更換工質(zhì))等措施來提升高溫?zé)峁艿膫鳠嵝阅艿姆椒?，發(fā)展高溫?zé)峁軅鳠嵝阅艿膬?yōu)化機制，完善高溫?zé)峁艿睦碚擉w系，為其推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

高溫?zé)峁艿膫鳠嵝阅芎?，在上述方面進(jìn)行深入研究并解決相應(yīng)的技術(shù)問題后，未來在高超聲速飛行器熱防護(hù)、空間核反應(yīng)堆冷卻、太陽能利用等工作溫度較高的場合一定會得到廣泛的應(yīng)用。