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航天热控用机械驱动CO_2两相系统的数值模拟及控温特性分析

黄臻成  
【摘要】: 机械泵驱动的两相回路(Mechanically Pumped Two-phase Loop system, MPTL)是一种具有良好均温性和可控性、适合于分布式热源以及长程传热的控温系统,在控温要求不断提高的航天领域里,它因具有良好的应用前景而重新被人们所重视。 在空间热控系统的设计过程中,由于涉及到复杂的太空热流环境,以及真空,微重力等因素,仅仅依靠地面试验无法模拟真实太空环境;而且由于成本、实验技术以及运行周期等因素的制约,地面实验能提供的信息量有限,对某些边界条件极端的、有损害性的工况,实验更是不切实际。因此,需要利用数值模拟的方法为设计提供参考依据。 本文利用AMS-2 TTCS作为具体的对象,针对现今研究得比较少、但应用前景突出的机械泵驱动两相系统,利用SINDA/FLUINT平台分别建立了应用于空间模拟的空间动力学模型(dynamic model for space, DMS),和用于实验修正的地面动力学模型(dynamic model for ground test, DMG)。在地面实验平台的测试结果的基础上,对模型的换热器、冷凝器换热和漏热等重要参数进行了拟合和修正,并利用修正后的DMG模拟与实验结果进行验证对比,发现结果符合的较好。由于DMS和DMG的建模数学基础、基本假设以及模型处理方法基本相同,因此证明利用DMS和DMG的模拟结果能正确地反映MPTL的动力学特性,可用于分析和优化设计这类系统。此外,还研究了比较重要但带有不确定性的参数,进而评估模型的可靠性。 在此基础之上,本文对系统的控温特性进行深入的分析,利用DMS的模拟结果验证了系统在给定的外热流环境下,收集分散在192个热源、总计144W热量时表现出良好的控温特性,可以达到轨道温度变化小于3℃,9m蒸发器沿程温差小于1℃的控温要求。通过数值模拟,揭示了MPTL蒸发器、换热器、储液器和冷凝器等各个部件对目标温度控制所起的作用以及响应特点,并专门研究了并联冷凝器的因流量自分配而提高散热效果的自调节能力,分析了进出口管长度、边界差异等对其流量调节能力的影响。更进一步地,针对系统冷凝器在极冷工况下会发生的结冰情况,利用模型对特有的冷凝器设计在流向选择和入口管连接进行了优化,使之在具有最佳散热效果的同时,维持不结冰所需热补偿功率最少。 然后,使用DMG模拟了蒸发器不平衡加热以及总热量跃变,更进一步验证了蒸发器的稳定性,并且得出储液器的控温受到回路反馈的影响,分析了储液器的控制与回路控制的关系,提出了有效热容的概念。通过储液器开环小热量跃变实验的结果,整理了有效热容与蒸发器加热量的关系,为深入分析储液器有效热容做准备。 最后,本文总结了MPTL系统的控温特性,指出这类系统的体积和功耗小,可以胜任长距离散热任务,并且提供高精度控温和良好的温度稳定性。


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