王曄 付振東 方澤農(nóng) 劉思學(xué) 黃金印 張紅星 苗建印

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 航天器熱控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094)

在地面常重力環(huán)境或空間加速飛行過(guò)程中,貯箱或儲(chǔ)液器中氣液兩相會(huì)由于密度差異而使液體自發(fā)沉底。但在微重力環(huán)境下,表面張力成為影響氣液相分布的主導(dǎo)因素,液相粘附于固壁面,包覆、隔離氣體區(qū)域,氣液兩相呈現(xiàn)互相摻混的復(fù)雜分布,難以準(zhǔn)確定位氣液兩相界面。因此,微重力環(huán)境下的氣液相分離已經(jīng)成為影響空間技術(shù)發(fā)展的重要因素之一,需要開(kāi)展流體的在軌管理技術(shù)研究,保障空間環(huán)境下的氣液相分離,以避免氣液兩相摻混,實(shí)現(xiàn)純液/純氣的定向輸運(yùn)。

表面張力驅(qū)動(dòng)式氣液分離技術(shù)可以充分利用微重力環(huán)境下起主導(dǎo)作用的表面張力對(duì)液體進(jìn)行吸附和定位,是一種極具前景的空間氣液分離技術(shù)[1-2]。基于多孔結(jié)構(gòu)的相分離裝置能夠充分利用流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的毛細(xì)作用,借助孔隙內(nèi)的表面張力實(shí)現(xiàn)氣液兩相流體的相分離和定向輸運(yùn)。多孔結(jié)構(gòu)可以提供更大的表面張力,構(gòu)型更加多樣,能夠適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)布局和重力環(huán)境下的相分離需求。

基于多孔結(jié)構(gòu)的液體管理技術(shù)在航天器中的應(yīng)用主要有低溫推進(jìn)劑貯箱中的液體獲取裝置[3]、熱泵/泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)中的儲(chǔ)液器[4],以及熱管系統(tǒng)中的蒸發(fā)器[5]。本文重點(diǎn)分析了多孔結(jié)構(gòu)氣液相分離原理,明確了影響相分離性能的關(guān)鍵參數(shù)及其測(cè)試表征方法,分析和梳理出基于多孔結(jié)構(gòu)的液體管理技術(shù)在空間中的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)化策略,可以為相關(guān)產(chǎn)品研制提供參考。

1 基于多孔結(jié)構(gòu)的液體管理及氣液相分離特性分析

1.1 基于多孔結(jié)構(gòu)的相分離原理

聚焦于孔隙尺度,將多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜孔隙簡(jiǎn)化為一個(gè)孔隙通道,圖1展示了基于多孔結(jié)構(gòu)的氣液相分離過(guò)程。

注:圖中△P為驅(qū)動(dòng)壓力;△Pbp為泡破壓力。圖1 基于多孔結(jié)構(gòu)的相分離過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic of separation processes based on a porous medium

當(dāng)氣液兩相流體在壓力驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)多孔結(jié)構(gòu)時(shí),與材料接觸角小于90°的液相將在毛細(xì)力作用下沿孔隙進(jìn)行毛細(xì)流動(dòng),快速充滿(mǎn)孔隙,并沿固體骨架形成連續(xù)薄液膜,如圖1(a)所示。此時(shí),液體在壓差驅(qū)動(dòng)下很容易穿過(guò)完全潤(rùn)濕的多孔結(jié)構(gòu),其流動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)壓力成正比,如圖1(b)所示。當(dāng)氣相進(jìn)入多孔介質(zhì)的孔隙時(shí),表面張力會(huì)在氣液兩相界面處產(chǎn)生毛細(xì)壓力以阻止氣相的入侵。隨著外部驅(qū)動(dòng)壓力的增加,氣相進(jìn)一步入侵孔隙,彎月面沿孔隙通道移動(dòng)。孔喉Dp定義為孔隙通道中橫截面積最小的位置。彎月面在孔喉處的曲率最大,此時(shí)兩相界面處的毛細(xì)壓力最大,需要更大的壓差以推動(dòng)彎月面進(jìn)一步移動(dòng),如圖1(c)所示。一旦多孔介質(zhì)兩側(cè)施加的驅(qū)動(dòng)壓差大于通過(guò)孔喉處所需的最大毛細(xì)壓力,氣相就會(huì)完全入侵孔隙并打開(kāi)孔隙通道,這也意味著氣相首次突破毛細(xì)力的束縛、穿過(guò)多孔結(jié)構(gòu),導(dǎo)致相分離失效,如圖1(d)所示。氣相首次突破時(shí)多孔介質(zhì)兩側(cè)的壓差定義為靜態(tài)泡破壓力,靜態(tài)泡破壓力描述了多孔介質(zhì)相分離失效前的極限運(yùn)行狀態(tài)。基于多孔結(jié)構(gòu)的相分離技術(shù)主要涉及到3個(gè)流動(dòng)過(guò)程:一是液相在多孔介質(zhì)內(nèi)的毛細(xì)流動(dòng)過(guò)程;二是相分離過(guò)程中液相流經(jīng)多孔介質(zhì)的單相流動(dòng)過(guò)程;三是相分離失效時(shí)涉及的氣相突破多孔結(jié)構(gòu)的兩相流動(dòng)過(guò)程。

1.2 毛細(xì)潤(rùn)濕特性

毛細(xì)潤(rùn)濕特性是實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)相分離的重要前提?？紤]多孔介質(zhì)內(nèi)的毛細(xì)流動(dòng)為不可壓縮層流,毛細(xì)流動(dòng)過(guò)程中毛細(xì)驅(qū)動(dòng)壓力和流動(dòng)阻力、重力相平衡,其動(dòng)量守恒方程為

(1)

基于式(1),在線(xiàn)性毛細(xì)爬升實(shí)驗(yàn)中,液面前緣所能達(dá)到的最大高度為

(2)

流動(dòng)過(guò)程中忽略重力因素的影響,對(duì)式(1)進(jìn)行時(shí)間t積分,即獲得Lucas-Washburn模型為

(3)

多孔絲網(wǎng)、燒結(jié)毛細(xì)芯等多孔結(jié)構(gòu)由大量不規(guī)則的微孔和微通道組成,其等效毛細(xì)孔徑難以直接計(jì)算獲得,可以基于式(1)～(3)通過(guò)線(xiàn)性毛細(xì)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反算。多孔結(jié)構(gòu)毛細(xì)潤(rùn)濕特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有最大毛細(xì)壓力和毛細(xì)流動(dòng)速率兩個(gè)參數(shù)。其中,最大毛細(xì)壓力與孔徑成反比,多孔結(jié)構(gòu)的孔徑越小,其能達(dá)到的最大毛細(xì)壓力越大,而毛細(xì)流動(dòng)速率隨孔徑并非單調(diào)變化,需要綜合考慮毛細(xì)驅(qū)動(dòng)壓力和流動(dòng)阻力二者的影響。

1.3 壓降特性

單相流體流經(jīng)多孔結(jié)構(gòu)的壓降特性是決定其相分離性能的關(guān)鍵參數(shù),與工質(zhì)流速和多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)流動(dòng)區(qū)域的雷諾數(shù)Re<1時(shí),多孔介質(zhì)流動(dòng)處于線(xiàn)性層流區(qū),粘性力起主導(dǎo)作用,達(dá)西定律成立,流經(jīng)多孔介質(zhì)的壓降與流體速度呈線(xiàn)性關(guān)系[6]。隨著流速的增加,多孔介質(zhì)局部幾何結(jié)構(gòu)和慣性力對(duì)流動(dòng)的影響逐漸增強(qiáng),因此,在達(dá)西方程中引入Forchheimer項(xiàng)以描述慣性力的影響,并引入滲透率描述多孔介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)的影響。Darcy-Forchheimer方程是多孔介質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)量守恒方程

(4)

(5)

式中:兩個(gè)常數(shù)項(xiàng)a=1.75,b=150是通過(guò)對(duì)表面積和密度已知的均質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)確定的[7-8],該常數(shù)項(xiàng)的準(zhǔn)確性已經(jīng)證實(shí),并廣泛應(yīng)用于各種多孔材料的壓降預(yù)測(cè)中,包括多孔絲網(wǎng)、多孔泡沫、填充床等結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,獲得流體流經(jīng)多孔結(jié)構(gòu)壓降的方法主要有3種:一是對(duì)于燒結(jié)粉末、燒結(jié)纖維等非周期性的多孔材料,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)試不同流速下流體流經(jīng)多孔結(jié)構(gòu)的壓降數(shù)據(jù),獲得壓降-流速曲線(xiàn);二是針對(duì)編織網(wǎng)幕等周期性多孔結(jié)構(gòu),可以根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)公式,結(jié)合多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率、比表面積、孔徑等參數(shù)來(lái)計(jì)算其粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù),進(jìn)而計(jì)算壓降;三是針對(duì)周期性多孔結(jié)構(gòu),可以通過(guò)理論分析計(jì)算其理論滲透率,帶入Darcy-Forchheimer方程中,獲得該多孔結(jié)構(gòu)的壓降數(shù)據(jù)[9]。

1.4 泡破壓力

泡破壓力(Bubble Point Pressure)定義為氣體突破多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)液體表面張力束縛、侵入孔隙并穿透多孔結(jié)構(gòu)時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩側(cè)臨界壓差,是影響多孔結(jié)構(gòu)相分離性能的關(guān)鍵參數(shù)。泡破壓力越大,材料的相分離極限越大?；赮oung-Laplace方程,將多孔結(jié)構(gòu)等效為毛細(xì)管,即可將靜態(tài)泡破壓力等效為毛細(xì)管中氣-液-固三相界面處的毛細(xì)壓差為

(6)

式中:等效泡破孔徑Dbp是將多孔結(jié)構(gòu)中的孔隙通道等效成一個(gè)毛細(xì)管所對(duì)應(yīng)的有效孔徑,與多孔介質(zhì)的孔徑和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。泡破孔徑計(jì)算方法主要有3種:一是參考流體計(jì)算法,即測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)參考流體的泡破壓力,基于式(6),根據(jù)泡破壓力、表面張力、接觸角直接反算其泡破孔徑,參考流體計(jì)算法的最大優(yōu)點(diǎn)是一次泡破實(shí)驗(yàn)即可確定孔徑,但是對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程的準(zhǔn)確性要求極高;二是斜率計(jì)算法[10],采用不同流體進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),以表面張力和泡破壓力為橫縱軸,根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢(shì)線(xiàn)的斜率計(jì)算泡破孔徑,相較于參考流體計(jì)算法,斜率計(jì)算法的準(zhǔn)確性更高,但是需要對(duì)多種流體進(jìn)行泡破實(shí)驗(yàn),工作量較大;三是理論分析法,基于多孔介質(zhì)的三維孔隙結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)孔喉位置的孔隙結(jié)構(gòu)分析來(lái)估算其孔徑[11]。

1.5 力學(xué)性能

除流動(dòng)特性外,多孔結(jié)構(gòu)的材料特性,包括力學(xué)性能、抗變形能力、與其他材料的兼容性等也是影響其空間應(yīng)用的重要參數(shù)[3]。航天器在發(fā)射和變軌階段將經(jīng)歷復(fù)雜的變重力環(huán)境,多孔結(jié)構(gòu)在液體瞬時(shí)沖擊下是否會(huì)發(fā)生屈服甚至斷裂、孔隙是否會(huì)膨脹變形、多孔材料與外部殼體的封裝強(qiáng)度等都是在飛行設(shè)計(jì)和多孔結(jié)構(gòu)選材、選型中需要考慮的重要問(wèn)題。

2 航天器中的應(yīng)用

面向空間應(yīng)用的熱泵、環(huán)路熱管和低溫推進(jìn)系統(tǒng)等都是涉及氣液兩相流的航天器熱控/推進(jìn)技術(shù),其在運(yùn)行過(guò)程中均需要實(shí)現(xiàn)液體的精準(zhǔn)取用,以避免氣液兩相摻混輸運(yùn),采用多孔結(jié)構(gòu)相分離技術(shù)的儲(chǔ)液器、蒸發(fā)器已經(jīng)應(yīng)用于“國(guó)際空間站”、嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器等。

2.1 低溫推進(jìn)劑貯箱

低溫推進(jìn)劑具有高比沖、高能量密度的顯著優(yōu)勢(shì),相比于常溫肼推進(jìn)劑,可大幅降低航天器質(zhì)量,愈來(lái)愈成為航天器進(jìn)入空間及在軌服務(wù)的首選動(dòng)力方案。在空間微重力環(huán)境下,必須在低溫推進(jìn)劑貯箱中增加液體獲取裝置,以保障發(fā)動(dòng)機(jī)的純液供應(yīng)。若不進(jìn)行氣液分離,推進(jìn)劑貯箱出口處游走的氣團(tuán)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)將造成動(dòng)力衰減甚至引發(fā)事故,嚴(yán)重危害航天器的安全運(yùn)行。

多孔通道式液體獲取裝置(LAD)是一種基于多孔絲網(wǎng)的氣液相分離裝置,該裝置由4或8根靠近貯箱內(nèi)壁面均布的空心通道組成,每個(gè)通道靠近貯箱內(nèi)壁面的一側(cè)是由緊密編織的金屬絲網(wǎng)組成,另外三側(cè)為金屬固壁面,如圖2所示。在壓差驅(qū)動(dòng)下,液相可以順利穿過(guò)多孔絲網(wǎng)進(jìn)入通道,氣相則會(huì)被孔隙中的毛細(xì)力阻擋在多孔絲網(wǎng)之外,從而將純液推進(jìn)劑輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)中。多孔通道式液體獲取裝置能夠適用于更大范圍的溫度環(huán)境和旋轉(zhuǎn)、加速等更惡劣的加速度環(huán)境,具有無(wú)需消耗多余燃料、不受低溫流體蒸發(fā)影響的優(yōu)勢(shì),特別適用于深空探測(cè)任務(wù)中遠(yuǎn)航程、高機(jī)動(dòng)的飛行環(huán)境。NASA將多孔通道式LAD認(rèn)定為當(dāng)前最具前景的低溫推進(jìn)劑在軌氣液分離技術(shù)[1-2],正在加速推進(jìn)地面試驗(yàn)與驗(yàn)證工作。

圖2 多尺度下多孔通道式液體獲取裝置的相分離過(guò)程Fig.2 Phase separation process of the screen channel liquid acquisition device at multi-scale

多孔通道式液體獲取裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵就是在給定的驅(qū)動(dòng)壓差下,液相能夠穿過(guò)多孔絲網(wǎng)并沿通道輸送至貯箱出口,而氣相會(huì)被阻擋在多孔絲網(wǎng)之外。液體在整個(gè)流程中產(chǎn)生的總壓損為ΔPloss,由液體流經(jīng)多孔絲網(wǎng)的壓降ΔPf、流體在通道中的粘性壓損和動(dòng)壓損組成。冷氦氣對(duì)推進(jìn)劑貯箱加壓產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓差表示為ΔPapplied。氣體突破多孔結(jié)構(gòu)毛細(xì)力束縛進(jìn)入通道的泡破壓力為ΔPbp。為保證多孔通道式液體獲取裝置的穩(wěn)定運(yùn)行,各壓力必須滿(mǎn)足條件ΔPapplied=ΔPloss<ΔPbp。在運(yùn)行過(guò)程中驅(qū)動(dòng)壓差應(yīng)始終小于泡破壓力以保證氣體被阻擋在多孔絲網(wǎng)以外;同時(shí),在小于泡破壓力的前提下,還應(yīng)盡量增大驅(qū)動(dòng)壓差以獲得最大流量的液體推進(jìn)劑。泡破壓力是決定多孔通道式液體獲取裝置驅(qū)動(dòng)壓力的上限值。

2.2 儲(chǔ)液器

隨著深空探測(cè)和載人航天工程的發(fā)展,未來(lái)航天器將面臨熱功耗增大、熱流密度增強(qiáng)等問(wèn)題,現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足超大功率熱傳輸和高溫環(huán)境熱排散需求。熱泵系統(tǒng)能夠通過(guò)提高輻射溫度大幅減少輻射器面積、降低航天器熱控系統(tǒng)質(zhì)量,是未來(lái)航天熱控的重要技術(shù)手段[12]。泵驅(qū)兩相流體回路能夠?qū)⒑教炱鲀?nèi)部的廢熱進(jìn)行收集、傳輸和排散,特別適用于大功率熱排散需求、空間環(huán)境復(fù)雜多變、載荷工作狀態(tài)多的環(huán)境。

圖3為熱泵系統(tǒng)和泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)的示意圖。熱泵系統(tǒng)由壓縮機(jī)、儲(chǔ)液器、冷凝換熱器、蒸發(fā)換熱器和膨脹閥組成。運(yùn)行過(guò)程中,經(jīng)壓縮機(jī)作用的高溫高壓氣相工質(zhì)首先經(jīng)過(guò)冷凝換熱器放熱,再進(jìn)入儲(chǔ)液器進(jìn)行氣液相分離;隨后,純液工質(zhì)進(jìn)入膨脹閥中降壓后,低溫低壓氣液兩相工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)換熱器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱,最后高溫氣相工質(zhì)再次流進(jìn)壓縮機(jī)中,實(shí)現(xiàn)循環(huán)。泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)由機(jī)械泵、儲(chǔ)液器、蒸發(fā)器、冷凝器和氣液管路組成。運(yùn)行過(guò)程中,機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)單相工質(zhì)流進(jìn)蒸發(fā)器中,單相工質(zhì)蒸發(fā)吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上嗔黧w;隨后氣液兩相工質(zhì)通過(guò)冷凝器與輻射散熱器進(jìn)行熱交換,將從發(fā)熱設(shè)備收集的熱量排散至外部;最后流體經(jīng)過(guò)儲(chǔ)液器轉(zhuǎn)化成過(guò)冷單相工質(zhì),流進(jìn)機(jī)械泵中,實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

圖3 熱泵系統(tǒng)和泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)組成及流動(dòng)循環(huán)示意圖Fig.3 Composition and working process of the heat pump system and the pump-driven two-phase fluid loop system

機(jī)械泵是泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)的“心臟”,在運(yùn)行過(guò)程中需在其前端布置具有氣液相分離性能的儲(chǔ)液器,保證純液工質(zhì)供應(yīng)至機(jī)械泵中,以避免機(jī)械泵空化和氣蝕損壞。儲(chǔ)液器作為熱泵系統(tǒng)的核心部件,安裝在冷凝器和膨脹閥之間,保證進(jìn)入膨脹閥的工質(zhì)為純液態(tài),以提高節(jié)流效率。地面常重力環(huán)境中,只需要將氣體出口布置于儲(chǔ)液器頂部,氣液兩相即可由于密度差異而自發(fā)分離。但在空間微重力環(huán)境下,必須在儲(chǔ)液器內(nèi)增設(shè)液體管理裝置進(jìn)行氣液相分離,避免氣體進(jìn)入膨脹閥和機(jī)械泵中?！皣?guó)際空間站”上的阿爾法磁譜儀(AMS-02)是國(guó)際上首套在軌運(yùn)行的機(jī)械泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng),其儲(chǔ)液器使用了多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行液體管理,實(shí)現(xiàn)了微重力下高壓低表面張力工質(zhì)的氣液分離和CO2兩相精密控溫,目前在國(guó)際空間站上穩(wěn)定運(yùn)行。

文獻(xiàn)[13]提出一種基于多孔結(jié)構(gòu)的圓柱型相分離裝置,能夠應(yīng)用于微重力下的氣液相分離。該裝置由圓柱形外殼和多孔結(jié)構(gòu)卷成的圓筒組成,多孔圓筒插入圓柱形外殼內(nèi),將內(nèi)部流動(dòng)區(qū)域劃分為靠近管壁的環(huán)形高壓區(qū)和靠近軸線(xiàn)的中心低壓區(qū),如圖4所示。當(dāng)氣液兩相沿軸向流進(jìn)裝置時(shí),液相會(huì)在表面張力作用下流進(jìn)多孔結(jié)構(gòu)的孔隙中并在多孔圓筒表面形成液膜。隨著液膜形成,液相將在壓力作用下進(jìn)入中心低壓區(qū)。而當(dāng)中心低壓區(qū)和環(huán)形高壓區(qū)之間的壓差ΔPcylinder小于多孔結(jié)構(gòu)的泡破壓力ΔPbp時(shí),氣相無(wú)法突破已經(jīng)潤(rùn)濕的孔隙,而保留在環(huán)形高壓區(qū),并在壓差驅(qū)動(dòng)下沿環(huán)形高壓區(qū)流出圓柱型裝置,從而實(shí)現(xiàn)氣液相分離。文獻(xiàn)[14]也提出一種具有微槽結(jié)構(gòu)的氣液相分離裝置應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)中,利用表面張力將液相匯聚于微槽中,實(shí)現(xiàn)氣液分離。

圖4 基于多孔結(jié)構(gòu)的圓柱型相分離裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of a cylindrical phase separation device based on porous screen

2.3 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器是熱管系統(tǒng)和兩相流體回路系統(tǒng)的核心部件。以環(huán)路熱管為例,環(huán)路熱管由蒸發(fā)器、冷凝器、儲(chǔ)液器、氣體管路和液體管路組成,如圖5所示。運(yùn)行過(guò)程中,液體在蒸發(fā)器中的毛細(xì)芯外表面蒸發(fā),吸收熱量,產(chǎn)生的氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)蒸氣管路流向冷凝器,在冷凝器中釋放熱量,凝結(jié)成液體并過(guò)冷,過(guò)冷液態(tài)工質(zhì)流經(jīng)儲(chǔ)液器后,通過(guò)液體管路向蒸發(fā)器毛細(xì)芯內(nèi)部供應(yīng)液態(tài)工質(zhì),液態(tài)工質(zhì)流經(jīng)毛細(xì)芯,最后到達(dá)毛細(xì)芯表面再次受熱蒸發(fā),形成循環(huán)。

注:圖中Qout為冷凝器散熱量;Qin為蒸發(fā)器吸熱量。圖5 環(huán)路熱管系統(tǒng)組成及流動(dòng)循環(huán)示意圖Fig.5 Composition and working process of the loop heat pipe system

蒸發(fā)器是熱管系統(tǒng)中與散熱設(shè)備接觸的關(guān)鍵部件,其換熱效率直接決定熱管系統(tǒng)的傳熱效率和最大傳熱能力。在高熱通量下,加熱表面上氣泡成核位點(diǎn)較多,若氣泡不及時(shí)排散,將會(huì)在液體和加熱面之間形成蒸氣膜,嚴(yán)重影響傳熱性能,甚至出現(xiàn)沸騰危機(jī)。因此,對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行氣液管理,及時(shí)將氣體排散,避免蒸氣膜形成,盡量使蒸發(fā)器處于低熱阻薄膜沸騰,是強(qiáng)化蒸發(fā)器性能的有效途徑[5]。圖6所示為一種基于多孔膜的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。啟動(dòng)初期,蒸發(fā)器內(nèi)充滿(mǎn)液體,直到蒸氣區(qū)的壓力Pg大于儲(chǔ)液器中的壓力Pl,即可借助毛細(xì)力對(duì)蒸發(fā)器的氣液兩相流體進(jìn)行相分離。相分離后,液體在毛細(xì)力作用下沿多孔結(jié)構(gòu)從儲(chǔ)液器輸運(yùn)至蒸發(fā)器中的毛細(xì)芯處,液體受熱蒸發(fā);產(chǎn)生的氣體則能夠沿蒸發(fā)器中的蒸氣通道及時(shí)排散至氣體管路,避免積聚。為保證液體持續(xù)供應(yīng)至加熱面,避免燒干,多孔結(jié)構(gòu)毛細(xì)力與系統(tǒng)總壓損必須滿(mǎn)足關(guān)系:ΔPcap>ΔPloss,同時(shí),氣體管路與儲(chǔ)液器之間的壓差應(yīng)始終小于多孔結(jié)構(gòu)的泡破壓力Pg-Pl<ΔPbp,以避免氣泡留存至蒸發(fā)器中,并防止液體進(jìn)入蒸氣管線(xiàn)。

圖6 基于多孔結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of evaporator based on porous structures

進(jìn)一步提高多孔結(jié)構(gòu)與工質(zhì)的表面潤(rùn)濕性,能夠提高多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)作用,促進(jìn)氣泡脫離,強(qiáng)化蒸發(fā)器的傳熱性能[15];在多孔結(jié)構(gòu)中增加微通道,也能夠有效降低液體流動(dòng)阻力保證液體持續(xù)快速供應(yīng),提高蒸發(fā)器的臨界熱流密度[16]。

3 啟示與建議

基于多孔結(jié)構(gòu)的液體管理技術(shù)是空間微重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)氣液相分離的有效途徑,為低溫推進(jìn)劑在軌管理、儲(chǔ)液器設(shè)計(jì)、蒸發(fā)器性能提升提供了新的思路?；诙嗫捉Y(jié)構(gòu)的液體管理技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

(1)基于多孔結(jié)構(gòu)的液體管理是一種被動(dòng)式流體管理技術(shù),具有無(wú)須消耗額外能源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)微米乃至納米級(jí)孔隙中能夠產(chǎn)生較大的毛細(xì)力,配合通道等設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)布局和變重力環(huán)境下的相分離需求。

(2)多孔介質(zhì)材料有燒結(jié)粉末型、燒結(jié)纖維型、金屬絲網(wǎng)、金屬泡沫、復(fù)合型等多種形式,可以針對(duì)液體獲取速率、相分離效率、相變傳熱等不同應(yīng)用需求,對(duì)多孔材料的滲透率、孔徑、熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同場(chǎng)景的多孔材料應(yīng)用需求。同時(shí),還可以與涂層技術(shù)相結(jié)合,調(diào)節(jié)多孔材料的表面潤(rùn)濕性,以適應(yīng)對(duì)強(qiáng)化液體輸運(yùn)和增加氣泡成核位點(diǎn)等不同調(diào)控需求。

同時(shí),通過(guò)對(duì)多孔介質(zhì)相分離特性的分析與研究,梳理出需要進(jìn)一步解決的關(guān)鍵問(wèn)題,以支撐基于多孔介質(zhì)的液體管理技術(shù)未來(lái)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

(3)新型多孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化相分離性能。多孔介質(zhì)的壓降特性和泡破特性直接決定其相分離效率。理想的多孔結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有較高的泡破壓力和較低的流動(dòng)阻力,以保證足夠的相分離能力和盡量高的相分離效率。然而,泡破壓力和流動(dòng)阻力均與多孔結(jié)構(gòu)的孔徑成反比,難以在提升泡破壓力的同時(shí)降低其流動(dòng)阻力。實(shí)際應(yīng)用中往往是對(duì)泡破壓力與流動(dòng)阻力進(jìn)行綜合權(quán)衡,以獲得最佳的相分離效果。需要進(jìn)一步探究具有微納復(fù)合孔隙和具有復(fù)合潤(rùn)濕性的新型多孔結(jié)構(gòu)以解決該博弈難題,該問(wèn)題的解決對(duì)提升相分離效率、增加相分離極限至關(guān)重要。

(4)傳熱及相變過(guò)程對(duì)相分離性能的影響。現(xiàn)有研究中大多忽略熱因素和相變過(guò)程對(duì)相分離性能的影響,但是在低溫推進(jìn)劑應(yīng)用中,低溫貯箱內(nèi)存在漏熱導(dǎo)致液相蒸發(fā)、主動(dòng)制冷導(dǎo)致氣相冷凝的相變過(guò)程。在蒸發(fā)器中,也存在毛細(xì)輸運(yùn)、液體蒸發(fā)、氣泡脫離的兩相流動(dòng)和相變傳熱過(guò)程。此時(shí),多孔介質(zhì)的相分離必須要考慮兩相流動(dòng)阻力和蒸發(fā)冷凝過(guò)程對(duì)動(dòng)態(tài)相分離性能的影響。

(5)工程應(yīng)用上的難點(diǎn)?；赮oung-Laplace方程,表面張力與孔徑成反比,氣體更容易穿過(guò)大孔隙。因此,在實(shí)際相分離狀態(tài)下,多孔結(jié)構(gòu)的相分離極限取決于該結(jié)構(gòu)的最大孔徑。由此引發(fā)兩個(gè)問(wèn)題:一是對(duì)多孔材料的質(zhì)量控制,應(yīng)當(dāng)保證孔隙尺寸的均勻性,不得出現(xiàn)壞點(diǎn)或缺陷,否則將導(dǎo)致實(shí)際相分離能力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)性能;二是多孔結(jié)構(gòu)的安裝與固定必須具有較好的密封性,且安裝或密封方式不可破壞多孔材料的孔隙。然而,應(yīng)用于相分離的多孔結(jié)構(gòu)孔徑多為微米乃至納米量級(jí),必須尋求合適的安裝與密封方式,為基于多孔結(jié)構(gòu)的液體管理技術(shù)在空間環(huán)境中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于多孔結(jié)構(gòu)的相分離過(guò)程能夠充分利用流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的毛細(xì)作用和表面張力實(shí)現(xiàn)氣液兩相分離和純液/純氣的定向輸運(yùn),特別適用于以表面張力為主導(dǎo)作用的空間微重力環(huán)境。詳細(xì)分析了基于多孔結(jié)構(gòu)的相分離過(guò)程以及毛細(xì)潤(rùn)濕特性、壓降特性、泡破特性等關(guān)鍵性能參數(shù),梳理了各參數(shù)的計(jì)算和表征測(cè)試方法,點(diǎn)明毛細(xì)潤(rùn)濕性能是實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)相分離的重要前提,壓降特性和泡破特性是決定多孔結(jié)構(gòu)相分離效率和液體獲取速度的關(guān)鍵參數(shù)?；诙嗫捉Y(jié)構(gòu)的液體管理技術(shù)能夠應(yīng)用于低溫推進(jìn)劑貯箱、熱泵/泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)的儲(chǔ)液器、以及熱管蒸發(fā)器等航天器技術(shù)中,實(shí)現(xiàn)微重力環(huán)境下的氣液兩相分離、避免氣液兩相摻混輸運(yùn)。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,梳理出新型多孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化相分離性能、傳熱及相變過(guò)程對(duì)相分離性能的影響、多孔材料的孔隙一致性控制和安裝密封技術(shù)等需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題,這些問(wèn)題的解決將有效支撐基于多孔介質(zhì)的液體管理技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。