中国空间科学技术 Jun.252019vo.39No.33042 Chinese Space Science and Technology lssN1000-758xcN11-1859/V http∥zgkj.cast.c Dol:10.16708/cnki.1000-758X2019.0018 高温热管技术研究进展与展望 李金旺1,戴书刚 1.南京航空航天大学航天学院,南京210016 2.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点试验室,重庆40004 摘要:高温热管的工作温度高,传热性能妤,在高超声速飞行器热防护、空间核反应堆冷却、太阳能 利用等方面具有广阔的应用前景。报告了高温热管技术的研究现状,包括高温热管的冷冻启动特性 研究、传热性能研究、试验硏究、数值分析研究;介绍了放置倾角、工质物性参教、工质充装量、不凝气体 含量、材料、结构和尺寸等因素对高温热管启动和传热性能的影响规律,以及高温热管技术在高超声速 飞行器热防护、空间核反应堆冷却、太阳能利用等方面的应用研究等;指出了高温热管数值分析模型和 工程应用验诬等一系列有待深化硏究的方向;提岀了进一步深入研究高温热管技术的详细建议 关键词:高温热管;冷冻启动;传热极限;工质物性参数;热防护;热管 中图分类号:TK172.4 文献标识码:A Recent progress and prospect of high-temperature heat pipes technology LI Jinwang''2, DAI Shugang 1. College of Astronautics. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China 2. Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems, Ministry of Education of China Chongqing University, Chongqing 400044, China Abstract: High-temperature heat pipes have a good heat transfer performance and can be used for high working temperature. They have an expansive application prospect in the field of thermal prot system of hypersonic vehicle, cooling of space reactor and utilization of solar energy and so on. The recent progress of high-temperature heat pipes is reported, including the startup characteristic from the frozen state and heat transfer performance of high-temperature heat pipes he experimental studies, the numerical analysis studies. The effects of the inclination angles, the working fluid parameters, the fill charge ratio, the non-condensable gas, the material the 收稿日期:2018-09-20;修回日期:2018-11-22;录用日期:2019-03-19;网络出版时间:2019-03-2811:44:09 网络出版地址:htp:∥kns.cnki.net/kcms/ detail/11.1859.V.20190327.455.002html 基金项目:低品位能源利用技术及系统教育部重点试验室开放基金( LLEUTS-201809),国家自然科学基金(11802125),江苏省自然 科学基金(BK20170799) 通信作者:李金旺(1984-),男,博士,副研究员,lw@nua.edu.cn,研究方向为热管技术和飞行器热控制 引用格式:李金旺,戴书刚高温热管技术研究进展与展望[J].中国空间科学技术,2019,39(3):30-42.L progress and prospect of high-tem perature heat pipes technology[J]. Chinese Space Science and Technology, 2019,39(3):30-42
中国空间科学技术 Jun２５ ２０１９ Vol３９ No３ ３０Ｇ４２ ChineseSpaceScienceandTechnology ISSN１０００Ｇ７５８X CN１１Ｇ１８５９/V http:∥zgkjcastcn DOI:１０１６７０８/jcnki１０００Ｇ７５８X２０１９００１８ 高温热管技术研究进展与展望 李金旺１,２,∗ ,戴书刚１ １南京航空航天大学 航天学院,南京 ２１００１６ ２重庆大学 低品位能源利用技术及系统教育部重点试验室,重庆 ４０００４４ 摘 要:高温热管的工作温度高,传热性能好,在高超声速飞行器热防护、空间核反应堆冷却、太阳能 利用等方面具有广阔的应用前景.报告了高温热管技术的研究现状,包括高温热管的冷冻启动特性 研究、传热性能研究、试验研究、数值分析研究;介绍了放置倾角、工质物性参数、工质充装量、不凝气体 含量、材料、结构和尺寸等因素对高温热管启动和传热性能的影响规律,以及高温热管技术在高超声速 飞行器热防护、空间核反应堆冷却、太阳能利用等方面的应用研究等;指出了高温热管数值分析模型和 工程应用验证等一系列有待深化研究的方向;提出了进一步深入研究高温热管技术的详细建议. 关键词:高温热管;冷冻启动;传热极限;工质物性参数;热防护;热管 中图分类号:TK１７２４ 文献标识码:A 收稿日期:２０１８Ｇ０９Ｇ２０;修回日期:２０１８Ｇ１１Ｇ２２;录用日期:２０１９Ｇ０３Ｇ１９;网络出版时间:２０１９Ｇ０３Ｇ２８ １１:４４:０９ 网络出版地址:http:∥knscnkinet/kcms/detail/１１１８５９V２０１９０３２７．１４５５．００２．html 基金项目:低品位能源利用技术及系统教育部重点试验室开放基金(LLEUTS－２０１８０９),国家自然科学基金(１１８０２１２５),江苏省自然 科学基金(BK２０１７０７９９) ∗通信作者:李金旺(１９８４－),男,博士,副研究员,ljw＠nuaaeducn,研究方向为热管技术和飞行器热控制 引用格式:李金旺,戴书刚．高温热管技术研究进展与展望 [J]．中国空间科学技术,２０１９,３９(３):３０Ｇ４２．LIJW,DAISG．Recent progressandprospectofhighＧtemperatureheatpipestechnology[J]．ChineseSpaceScienceandTechnology,２０１９,３９(３):３０Ｇ４２ (inChinese)． RecentprogressandprospectofhighＧtemperatureheat pipestechnology LIJinwang １,２,∗ ,DAIShugang １ １CollegeofAstronautics ,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing２１００１６,China ２KeyLaboratoryofLowＧgradeEnergyUtilizationTechnologiesandSystems,MinistryofEducationofChina, ChongqingUniversity,Chongqing４０００４４,China Abstract:HighＧtemperatureheatpipeshaveagoodheattransferperformanceandcanbeusedfor highworkingtemperature．Theyhaveanexpansiveapplicationprospectinthefieldofthermal protectionsystemofhypersonicvehicle,coolingofspacereactorandutilizationofsolarenergy, andsoon．TherecentprogressofhighＧtemperatureheatpipesisreported,includingthestartup characteristicfromthefrozenstateandheattransferperformanceofhighＧtemperatureheatpipes, theexperimentalstudies,thenumericalanalysisstudies．Theeffectsoftheinclinationangles,the workingfluid parameters,thefillchargeratio,the nonＧcondensable gas,the material,the
李金旺,等:高温热管技术研究进展与展望 structure and the sizes on the startup characteristic from the frozen state and heat transfer performance of high-temperature heat pipes are presented. The applications of high-temperature utilization of solar energy are summarized. The future development direction is also pointed out such as the numerical analysis model and engineering application of high-temperature heat pipes The future research suggestions of high-temperature heat pipes are also put forward Keywords: high-temperature heat pipes; startup from the frozen state heat transfer performance working fluid parameters: thermal protection system: heat pipes 寻找导热的“超导体”一直是热学领域学者管存在较大差异,因此高温热管有很多与中低温 们的追求,银和铜等金属已经是导热性能较好的热管明显不同的特性。高温热管是热管领域的 材料了,但其导热系数也只能达到102W/(m·K)热门研究方向之一,其在高超声速飞行器热防 的数量级,远不能满足像高超声速飞行器热防护护、空间核反应堆冷却、太阳能利用等方面具有 等领域对高效传热的需要 广阔的应用前景[。 热管是一种利用相变原理进行高效热量传递 的装置,其工作原理如图1所示。 1高温热管试验研究进展 热源 热沉 蒸气十tt 高温热管的工作温度往往比较高,与中低温 热管相比,高温热管的工质通常为活泼金属工 质,其在常温下往往呈固态,这给高温热管的制 备和试验研究带来了较大的困难。尤其是对于 应用在高超声速飞行器热防护场合下的高温热 什结构 管,其工作温度最高可达到1200℃以上,相应的 蒸发段 绝热段 冷凝段 热量、热流密度也都比较大,在如此极端的参数 图1热管工作原理示意 条件下,进行地面验证试验研究的难度都是比较 Fig. 1 Heat pipe working schematic diagram 大的,需要使用高超声速风洞试验台等特殊 当有热源加在热管的蒸发段上时,蒸发段内设备或是耦合加热技术2,更不用说进行飞行 的液态工质吸收热量后温度不断升高,升高到相验证试验研究了。高温热管的壳体材料一般 变点后发生相变,变成蒸气运行到冷凝段放出热都是耐高温的非透明的材料,因此也不能采用常 量后冷凝为液态工质,冷凝段内的液态工质在毛规的可视化手段来进行直观研究,这也增加了试 细芯产生的毛细驱动力的作用下回流到蒸发段,验研究高温热管的难度 开始新的循环,如此不断循环,从而高效地将热 常规热管工作过程中仅包含液-气相变及其 量从蒸发段传递到冷凝段。热管是人们目前所逆向相变,且所受的热负荷往往是恒定的,而在 知道的最高效的传热元件,通常被誉为导热的高温热管应用场合所面临的工作温度区域范围 超导体”。热管在航天器热控制和电子设备散非常宽,尤其是在复杂交变高热流密度热负荷场 热等诸多领域有着重要的应用2。 合下,其工作过程除了包含上述普通热管的所有 热管种类繁多,按照工作温度区分,可分为相变过程,往往还包括固液相变及其逆向相变, 低温热管、常温热管、中温热管和高温热管。 比普通热管的工作过程要复杂得多。 般将工作温度在450℃以上的热管称为高温热 从以上两方面可以看出,高温热管方面的试 管。高温热管的工质通常是钠、钾、锂等碱金属,验研究要比普通热管的试验研究具有更大的挑 因此高温热管也常常称为碱金属热管。高温热战性,尽管如此,在高温热管冷冻启动过程和传 管在工作温度和工质的物性等方面与中低温热热性能的试验研究方面,国内外学者还是努力克
李金旺,等:高温热管技术研究进展与展望 ３１ structureandthesizesonthestartupcharacteristicfrom thefrozenstateandheattransfer performanceofhighＧtemperatureheatpipesarepresented．TheapplicationsofhighＧtemperature heatpipesforthermalmanagementofhypersonicflightvehicles,coolingofspacereactorand utilizationofsolarenergyaresummarized．Thefuturedevelopmentdirectionisalsopointedout, suchasthenumericalanalysismodelandengineeringapplicationofhighＧtemperatureheatpipes． ThefutureresearchsuggestionsofhighＧtemperatureheatpipesarealsoputforward． Keywords:highＧtemperatureheatpipes;startupfromthefrozenstate;heattransferperformance; workingfluidparameters;thermalprotectionsystem;heatpipes 寻找导热的“超导体”一直是热学领域学者 们的追求,银和铜等金属已经是导热性能较好的 材料了,但其导热系数也只能达到１０２W/(mK) 的数量级,远不能满足像高超声速飞行器热防护 等领域对高效传热的需要. 热管是一种利用相变原理进行高效热量传递 的装置,其工作原理如图１所示. 图１ 热管工作原理示意[１] Fig１ Heatpipeworkingschematicdiagram 当有热源加在热管的蒸发段上时,蒸发段内 的液态工质吸收热量后温度不断升高,升高到相 变点后发生相变,变成蒸气运行到冷凝段放出热 量后冷凝为液态工质,冷凝段内的液态工质在毛 细芯产生的毛细驱动力的作用下回流到蒸发段, 开始新的循环,如此不断循环,从而高效地将热 量从蒸发段传递到冷凝段.热管是人们目前所 知道的最高效的传热元件,通常被誉为导热的 “超导体”.热管在航天器热控制和电子设备散 热等诸多领域有着重要的应用[２Ｇ３]. 热管种类繁多,按照工作温度区分,可分为 低温热管、常温热管、中温热管和高温热管.一 般将工作温度在４５０℃以上的热管称为高温热 管.高温热管的工质通常是钠、钾、锂等碱金属, 因此高温热管也常常称为碱金属热管.高温热 管在工作温度和工质的物性等方面与中低温热 管存在较大差异,因此高温热管有很多与中低温 热管明显不同的特性.高温热管是热管领域的 热门研究方向之一,其在高超声速飞行器热防 护、空间核反应堆冷却、太阳能利用等方面具有 广阔的应用前景[４Ｇ７]. １ 高温热管试验研究进展 高温热管的工作温度往往比较高,与中低温 热管相比,高温热管的工质通常为活泼金属工 质,其在常温下往往呈固态,这给高温热管的制 备和试验研究带来了较大的困难.尤其是对于 应用在高超声速飞行器热防护场合下的高温热 管,其工作温度最高可达到１２００℃以上,相应的 热量、热流密度也都比较大,在如此极端的参数 条件下,进行地面验证试验研究的难度都是比较 大的,需要使用高超声速风洞试验台[１１]等特殊 设备或是耦合加热技术[１２],更不用说进行飞行 验证试验研究了[８Ｇ９].高温热管的壳体材料一般 都是耐高温的非透明的材料,因此也不能采用常 规的可视化手段来进行直观研究,这也增加了试 验研究高温热管的难度[１０]. 常规热管工作过程中仅包含液Ｇ气相变及其 逆向相变,且所受的热负荷往往是恒定的,而在 高温热管应用场合所面临的工作温度区域范围 非常宽,尤其是在复杂交变高热流密度热负荷场 合下,其工作过程除了包含上述普通热管的所有 相变过程,往往还包括固Ｇ液相变及其逆向相变, 比普通热管的工作过程要复杂得多. 从以上两方面可以看出,高温热管方面的试 验研究要比普通热管的试验研究具有更大的挑 战性,尽管如此,在高温热管冷冻启动过程和传 热性能的试验研究方面,国内外学者还是努力克
中国空间科学技术 Jun.252019voL.39No.3 服困难,开展了大量的研究,取得了初步的成果, 这些研究可总结归纳为如下几个方面 1.2工质物性参数及充装量的影响 高温热管是依靠内部工质的不断蒸发和冷 1.1放置倾角的影响 凝来实现高效传热的,不同工质的高温热管具有 于萍[等通过试验研究了高温热管的启动不同的工作温度区间,采用不同工质也会影响到 性能,结果表明放置倾角对高温热管的启动特性高温热管壳体材料的选择,工质的选择对高温热 有着明显的影响:水平放置启动时,绝热段岀现管的性能和制造过程都有着重要的影响。捷曼 温升速度“滞后”的现象,而倾斜放置启动时,没尔MG.等[10采用室温下呈液态的钠钾合金作 有出现这种现象。丁莉等[对特定结构的高温为工质制作高温热管,并通过试验研究了其启动 热管进行了试验研究,考察了放置倾角对高温热特性、等温性及传热性能,结果表明:钠钾热管与 管启动性能的影响,结果显示输入功率越大,高钾热管相比,两者的启动特性、等温性能基本一 温热管的启动时间越短,热管放置倾角对启动性致,但钠钾热管的传热性能更好一些;与钠热管 能影响不大,倾斜角度从ω°增加到90°,热管蒸相比,钠钾合金热管的启动性能更佳。不同工质 气流动转变温度相同,启动时间相同,平衡温度具有不同的物性参数,从而具有不同的品质因 也相同。牛涛等[设计并制备了钠工质、高温数,因而不同工质的高温热管的启动特性和传热 合金管壳的丝网型高温热管,测试并分析了在辐性能必然是有差异的。在宽温区、复杂交变高热 射和自然对流散热条件下不同加热功率和不同密度热负荷条件下,工质物性参数是否对高温热 倾角对热管启动特性和稳态工作后等温性能的管冷冻启动和耦合传热性能产生更大的影响? 影响。结果表明:钠高温热管在不同倾角下都可这也有待开展进一步的研究才能探明 顺利启动,而且随着加热功率的增加,钠高温热 工质充装量对高温热管启动和传热性能也 管启动时间缩短,但倾角对启动时间影响不大,有着较大的影响,工质充装量若过少,则会导致 在倒置45°和倒置90°倾角时,在较大功率下热蒸发段的工质全部蒸发完后,液态工质不能及时 管的蒸发段出现温度激增现象,并认为这是由于回流和补充,从而发生蒸干现象,最终导致高温 丝网吸液芯毛细力不足导致蒸发段出现工质干热管运行失效;工质充装量若过多,除了给系统 涸造成的。郭青等[通过试验研究了放置倾角增加了多余的质量,过量的工质还可能会积聚在 对钠钾合金热管启动特性的影响,结果表明倾角冷凝段末端,形成液体塞,阻塞这部分冷凝段使 的增加(在0°~50°的范围内)不仅使冷凝段温度其不能工作,从而影响整体的性能。不同尺寸大 上升,而且有利于热管的启动。卫光仁等[对小的热管所需要的工质充装量自然是不一样的 种干道式高温热管的传热性能进行了试验研研究时一般将其无量纲化为工质充装率,即工质 究,结果表明热管蒸发段向下倾斜或蒸发段向上充装体积量与热管内的蒸发器容积的比率 倾斜时,传热极限数据与水平放置时基本相同, 最佳的工质充装率一直是国内外高温热管 并认为在士10°范围内重力对传热极限无影响。相关研究人员探索的热点。Boo等[以热管的 沈妍等[1对高温热管在交变功率下的传热性能等效导热系数、最大传热温差等性能作为评价依 进行了试验研究,结果表明:高温热管在恒定加据,研究了工质充装量对不锈钢-钠热管传热性 热功率下启动,以及在平均功率与之相等的周期能的影响,结果表明:对于试验所用的特定参数 交变功率下启动,两者的启动时间和启动温度是的高温热管,最佳的工质充装率为蒸发器容积的 基本相等的;另外,该高温热管在0°和45°倾角32%。邓代英等[2对以钠为工质的热管的启动 和交变功率下运行,0°倾角的情况较45°倾角的性能进行了研究,结果表明:工质充装量在10~ 情况均温性更好。上述δ项研究得出的结论是25g的范围内,工质充装量越少,热管启动所需 有分歧的,也就是放置倾角对高温热管启动性能的时间就越短。赵蔚琳等[2对不同工质充装 到底有什么样的影响,具体的影响规律还没有得量的钠热管进行了试验研究,结果表明钠热管 到充分的认识 内工质充装量过多或过少都将影响热管启动
３２ 中国空间科学技术 Jun２５ ２０１９ Vol３９ No３ 服困难,开展了大量的研究,取得了初步的成果, 这些研究可总结归纳为如下几个方面. １１ 放置倾角的影响 于萍[１３]等通过试验研究了高温热管的启动 性能,结果表明放置倾角对高温热管的启动特性 有着明显的影响:水平放置启动时,绝热段出现 温升速度“滞后”的现象,而倾斜放置启动时,没 有出现这种现象.丁莉等[１４]对特定结构的高温 热管进行了试验研究,考察了放置倾角对高温热 管启动性能的影响,结果显示输入功率越大,高 温热管的启动时间越短,热管放置倾角对启动性 能影响不大,倾斜角度从０°增加到９０°,热管蒸 气流动转变温度相同,启动时间相同,平衡温度 也相同.牛涛等[１５]设计并制备了钠工质、高温 合金管壳的丝网型高温热管,测试并分析了在辐 射和自然对流散热条件下不同加热功率和不同 倾角对热管启动特性和稳态工作后等温性能的 影响.结果表明:钠高温热管在不同倾角下都可 顺利启动,而且随着加热功率的增加,钠高温热 管启动时间缩短,但倾角对启动时间影响不大, 在倒置４５°和倒置９０°倾角时,在较大功率下热 管的蒸发段出现温度激增现象,并认为这是由于 丝网吸液芯毛细力不足导致蒸发段出现工质干 涸造成的.郭青等[１６]通过试验研究了放置倾角 对钠钾合金热管启动特性的影响,结果表明倾角 的增加(在０°~５０°的范围内)不仅使冷凝段温度 上升,而且有利于热管的启动.卫光仁等[１７]对 一种干道式高温热管的传热性能进行了试验研 究,结果表明热管蒸发段向下倾斜或蒸发段向上 倾斜时,传热极限数据与水平放置时基本相同, 并认为在±１０°范围内重力对传热极限无影响. 沈妍等[１８]对高温热管在交变功率下的传热性能 进行了试验研究,结果表明:高温热管在恒定加 热功率下启动,以及在平均功率与之相等的周期 交变功率下启动,两者的启动时间和启动温度是 基本相等的;另外,该高温热管在０°和４５°倾角 和交变功率下运行,０°倾角的情况较４５°倾角的 情况均温性更好.上述６项研究得出的结论是 有分歧的,也就是放置倾角对高温热管启动性能 到底有什么样的影响,具体的影响规律还没有得 到充分的认识. １２ 工质物性参数及充装量的影响 高温热管是依靠内部工质的不断蒸发和冷 凝来实现高效传热的,不同工质的高温热管具有 不同的工作温度区间,采用不同工质也会影响到 高温热管壳体材料的选择,工质的选择对高温热 管的性能和制造过程都有着重要的影响.捷曼 尔 M．G．等[１９]采用室温下呈液态的钠钾合金作 为工质制作高温热管,并通过试验研究了其启动 特性、等温性及传热性能,结果表明:钠钾热管与 钾热管相比,两者的启动特性、等温性能基本一 致,但钠钾热管的传热性能更好一些;与钠热管 相比,钠钾合金热管的启动性能更佳.不同工质 具有不同的物性参数,从而具有不同的品质因 数,因而不同工质的高温热管的启动特性和传热 性能必然是有差异的.在宽温区、复杂交变高热 密度热负荷条件下,工质物性参数是否对高温热 管冷冻启动和耦合传热性能产生更大的影响? 这也有待开展进一步的研究才能探明. 工质充装量对高温热管启动和传热性能也 有着较大的影响,工质充装量若过少,则会导致 蒸发段的工质全部蒸发完后,液态工质不能及时 回流和补充,从而发生蒸干现象,最终导致高温 热管运行失效;工质充装量若过多,除了给系统 增加了多余的质量,过量的工质还可能会积聚在 冷凝段末端,形成液体塞,阻塞这部分冷凝段使 其不能工作,从而影响整体的性能.不同尺寸大 小的热管所需要的工质充装量自然是不一样的, 研究时一般将其无量纲化为工质充装率,即工质 充装体积量与热管内的蒸发器容积的比率. 最佳的工质充装率一直是国内外高温热管 相关研究人员探索的热点.Boo等[２０]以热管的 等效导热系数、最大传热温差等性能作为评价依 据,研究了工质充装量对不锈钢Ｇ钠热管传热性 能的影响,结果表明:对于试验所用的特定参数 的高温热管,最佳的工质充装率为蒸发器容积的 ３２％.邓代英等[２１]对以钠为工质的热管的启动 性能进行了研究,结果表明:工质充装量在１０~ ２５g的范围内,工质充装量越少,热管启动所需 的时间就越短.赵 蔚 琳 等[２２]对 不 同 工 质 充 装 量的钠热管进行了试验研究,结果表明钠热管 内工质充 装 量 过 多 或 过 少 都 将 影 响 热 管 启 动
李金旺,等:高温热管技术研究进展与展望 性能,只有合适的工质充装量才能使钠热管启料和结构形式单一,对于其它材料、结构和尺寸 动运行正常 的高温热管是否会有同样的结论,还有待进一步 现有研究还没有对高温热管最佳的工质充的确认 装率给出清楚而准确的描述,还有待开展进一步 毛细芯的结构和参数对热管的传热性能有 的研究 着重要的影响,目前高温热管的毛细芯主要采用 丝网芯、金属毡、槽道及它们的组合形式[281,在 1.3结构、尺寸参数的影响 高温热管毛细芯的优化和精确设计方面,目前相 赵蔚琳等[2通过试验研究了蒸发段长度对关的报道还比较少,值得开展进一步的研究。 高温热管启动性能的影响,结果表明蒸发段的长 度变化对高温热管启动过程有很大影响,蒸发段1.4不凝气体的影响 长度太短,将导致高温热管启动失败。郭青 在不凝气体对二次相变高温热管的启动和 等研究了蒸发段长度和冷凝段长度对钠钾合传热性能的影响方面,国内外学者也开展了一定 金重力热管启动特性的影响通过试验测量了改的研究。 Ochterbeck等1采用一维的瞬态分析 变蒸发段和冷凝段长度时,钠钾合金热管的外壁模型研究了不凝气体对高温热管从工质凝固状 面温度分布曲线,研究表明:增加蒸发段长度有态下启动的影响,结果表明:不凝气体对热管启 利于热管外壁面温度分布趋于均匀,但沿热管蒸动有较大的帮助,如无不凝气体,在毛细芯内的 发段轴向液池区域范围内仍存在一定的温差。工质熔化前便发生了“蒸干”现象,从而导致热管 曲伟等2在对分别以钠锂为工质的高温热管启动失败。He等研究了4种不同初始工质 进行研究后认为,优化高温热管的结构和加工工分布条件下不凝气体对热管启动性能的影响,结 艺将有利于高温热管的启动和运行,若启动前工果表明:对于不同的启动条件,不凝气体对启动 质处于固态,应对启动功率进行控制避免启动性能的影响存在较大的差异。 Martin等(]对不 过程中工质全部熔化前出现“蒸干”现象。从以 锈钢-钠高温热管进行了试验研究,研究结果表 上结果可以看出,热管的结构尺寸(含蒸发段的明热管中存在的不凝气体会导致冷凝端末端区 尺寸)对高温热管的启动性能也是有较大影响 域温度明显偏低,且整个冷凝器的温度会有较大 的,尤其是在宽温区、复杂交变的高热流密度热的温度波动。 Ponnappa等人的研究结果 负荷的条件下,蒸发器受热的区域位置和大小以也表明:高温热管在工质呈固态状态下启动是比 及热流密度都是变化的。在此条件下高温热管 的冷冻启动和耦合传热性能还没有被清楚地描较复杂和困难的,加入一定的不凝气体后启动明 述,有待开展进一步的研究 显变得容易了,但加入不凝气体的同时也会产生 高温热管停止工作时,不同的冷却方式和参 些副作用。高温热管在太空中子环境下使用 数会使工质凝结在不同的位置,这是否对高温热时,会诱导产生越来越多的不凝气体,从而会导 管的再次启动过程产生影响?对此问题,于萍致热管传热性能的不断下降,因此不凝气体对热 等[通过试验研究了采用组合式吸液芯的高温管的综合影响还有待进一步的评估,这也是高温 热管在停止工作时不同的倾斜角度和冷却水流热管技术面临的一个挑战。 量对高温热管再次启动的影响,并与采用三角沟 本文认为,高温热管材料、结构和尺寸参数 槽吸液芯的高温热管进行对比,结果表明,组合不同,工质的物性参数、充装量及初始分布不同, 式吸液芯高温热管和三角沟槽吸液芯高温热管当放置倾角也不同时,还会进一步影响到重力对 停止工作时,不同的冷却水流量、不同的放置角工质从冷凝段回流到蒸发段的作用效果,从而必 度对高温热管再次启动性能的影响均较小。但定会影响到高温热管的启动特性和传热性能;但 上述研究仅考察了其中两个可能影响高温热管是高温热管的可行工作区域很宽,在大部分工作 再启动性能的因素,而且热管的尺寸较小(总长区域可能无法观察到上述的影响,这里面的详细 度为400mm,其中蒸发段长度为240mm),且材规律还有待进一步的研究
李金旺,等:高温热管技术研究进展与展望 ３３ 性能,只有合适的工质充装量才能使钠热管启 动运行正常. 现有研究还没有对高温热管最佳的工质充 装率给出清楚而准确的描述,还有待开展进一步 的研究. １．３ 结构、尺寸参数的影响 赵蔚琳等[２２]通过试验研究了蒸发段长度对 高温热管启动性能的影响,结果表明蒸发段的长 度变化对高温热管启动过程有很大影响,蒸发段 长度 太 短,将 导 致 高 温 热 管 启 动 失 败. 郭 青 等[２３]研究了蒸发段长度和冷凝段长度对钠钾合 金重力热管启动特性的影响,通过试验测量了改 变蒸发段和冷凝段长度时,钠钾合金热管的外壁 面温度分布曲线,研究表明:增加蒸发段长度有 利于热管外壁面温度分布趋于均匀,但沿热管蒸 发段轴向液池区域范围内仍存在一定的温差. 曲伟等[２４Ｇ２５]在对分别以钠、锂为工质的高温热管 进行研究后认为,优化高温热管的结构和加工工 艺将有利于高温热管的启动和运行,若启动前工 质处于固态,应对启动功率进行控制,避免启动 过程中工质全部熔化前出现“蒸干”现象.从以 上结果可以看出,热管的结构尺寸(含蒸发段的 尺寸)对高温热管的启动性能也是有较大影响 的,尤其是在宽温区、复杂交变的高热流密度热 负荷的条件下,蒸发器受热的区域位置和大小以 及热流密度都是变化的.在此条件下高温热管 的冷冻启动和耦合传热性能还没有被清楚地描 述,有待开展进一步的研究. 高温热管停止工作时,不同的冷却方式和参 数会使工质凝结在不同的位置,这是否对高温热 管的再次启动过程产生影响? 对此问题,于萍 等[２６]通过试验研究了采用组合式吸液芯的高温 热管在停止工作时不同的倾斜角度和冷却水流 量对高温热管再次启动的影响,并与采用三角沟 槽吸液芯的高温热管进行对比,结果表明,组合 式吸液芯高温热管和三角沟槽吸液芯高温热管 停止工作时,不同的冷却水流量、不同的放置角 度对高温热管再次启动性能的影响均较小.但 上述研究仅考察了其中两个可能影响高温热管 再启动性能的因素,而且热管的尺寸较小(总长 度为４００mm,其中蒸发段长度为２４０mm),且材 料和结构形式单一,对于其它材料、结构和尺寸 的高温热管是否会有同样的结论,还有待进一步 的确认. 毛细芯的结构和参数对热管的传热性能有 着重要的影响,目前高温热管的毛细芯主要采用 丝网芯、金属毡、槽道及它们的组合形式[２７Ｇ２８],在 高温热管毛细芯的优化和精确设计方面,目前相 关的报道还比较少,值得开展进一步的研究. １４ 不凝气体的影响 在不凝气体对二次相变高温热管的启动和 传热性能的影响方面,国内外学者也开展了一定 的研究.Ochterbeck等[２９]采用一维的瞬态分析 模型研究了不凝气体对高温热管从工质凝固状 态下启动的影响,结果表明:不凝气体对热管启 动有较大的帮助,如无不凝气体,在毛细芯内的 工质熔化前便发生了“蒸干”现象,从而导致热管 启动失败.He等[３０]研究了４种不同初始工质 分布条件下不凝气体对热管启动性能的影响,结 果表明:对于不同的启动条件,不凝气体对启动 性能的影响存在较大的差异.Martin等[３１]对不 锈钢Ｇ钠高温热管进行了试验研究,研究结果表 明热管中存在的不凝气体会导致冷凝端末端区 域温度明显偏低,且整个冷凝器的温度会有较大 的温度波动.Ponnappan等人[３２Ｇ３３]的研究结果 也表明:高温热管在工质呈固态状态下启动是比 较复杂和困难的,加入一定的不凝气体后启动明 显变得容易了,但加入不凝气体的同时也会产生 一些副作用.高温热管在太空中子环境下使用 时,会诱导产生越来越多的不凝气体,从而会导 致热管传热性能的不断下降,因此不凝气体对热 管的综合影响还有待进一步的评估,这也是高温 热管技术面临的一个挑战[３４]. 本文认为,高温热管材料、结构和尺寸参数 不同,工质的物性参数、充装量及初始分布不同, 当放置倾角也不同时,还会进一步影响到重力对 工质从冷凝段回流到蒸发段的作用效果,从而必 定会影响到高温热管的启动特性和传热性能;但 是高温热管的可行工作区域很宽,在大部分工作 区域可能无法观察到上述的影响,这里面的详细 规律还有待进一步的研究
中国空间科学技术 Jun.252019voL.39No.3 冷冻启动和运行规律以及复杂的传热特性 2高温热管数值模拟研究进展 3高温热管应用研究进展 在常规条件下的高温热管冷冻启动过程和 传热特性的数值模拟方面,国内外学者也开展了3.1在高超声速飞行器热防护中的应用 定的研究。Cao和 Faghri等3针对高温热管 启动过程提出了一个两区域模型,该模型将连续 高超声速飞行器在飞行过程中遭遇到极其 蒸气流区域和稀薄蒸气流区域分开计算,在连续 严酷的气动加热环境,导致表面温度极高,在飞 行马赫数为6~8的时候,驻点温度就达到了 蒸气区采用可压缩的 Navier-Stokes方程,在稀 1600~2600℃[3。随着飞行马赫数的增加, 薄蒸气区采用蒸气的质量自扩散方程,然后用合 温度还会变得更高。热防护问题已成为高超声 适的边界条件将这两个区域联接起来,基于上述速飞行器发展中的关键制约因素和主要技术瓶 两区域模型的数值计算结果与相应的试验数据 颈,是制约高超声速飞行器最终服役能力的关键 吻合良好。 Tournier等基于尘气模型(Duy科学问题 利用高温热管则有望可以很好 gas model建立了一个包含蒸气自由分子流、过地解决此问题:其将头锥、尖翼前缘等局部热流 渡流和连续流3种类型流动的高温热管的启动集中区域产生的热量快速传输到机身、机翼上的 过程瞬态分析模型,数值计算结果得到的热管壁其他部位并加快热量向周围环境传递,从而可明 面温度和试验测量值吻合良好,研究结果显示:显降低头锥、尖翼前缘等局部的温度,减轻这些 在蒸发段受热后,热管毛细芯内的固态金属钠首部位的耐温压力,而且采用高温热管的热防护结 先沿着径向熔化,当蒸发段的金属钠全部熔化之构是非烧蚀的,从而可重复利用,这是烧蚀式热 后才开始轴向熔化,随后蒸发段内的液态钠开始防护结构无法比拟的。在现有的研究中,高温热 蒸发,最后慢慢由过渡流变为连续流。邓代英管在飞行器中的位置通常如图2所示,考虑对称 等[结合尖前缘气动加热环境分布特点进行计性,在数值分析时,则采用图3所示的分析模型。 算节点划分,采用热管基本理论和局部能量守恒 在高超声速飞行器热防护领域,使用高温热 原理计算热管温度分布及“温度锋面”位置,建立管的效果是显著的,Bai等[对高超声速飞行器 了一种用于分析不规则外形且承受非均匀瞬态高温热管热防护结构的效果进行了初步研究,结 气动加热的一体化尖前缘高温热管启动性能计果表明:在高超声速飞行器热防护中采用高温热 算方法。袁园等[31采用数值模拟的方法研究管,可使驻点温度从1926℃降到982℃,效果十 了特定应用场合下高温热管从冷态零功率到满分显著。李锋等2对一种新型的热管疏导式热 功率的启动特性,获得了热管温度在启动过程中防护结构进行了试验研究,结果发现在同等条件 的变化情况。沈妍等[采用高温热管的网络模 型对高温热管进行了数值模拟,得到了高温热管 的热阻与输入功率、管壳材料的导热系数、管壳 行器表面 的壁厚、毛细芯的导热系数以及冷凝段长度的初 步影响规律 高温热管 从以上结果可以看出,采用数值模拟的手段 研究高温热管的启动和工作过程是可行的,但目 前相关的研究还比较少。如果进行试验研究的 话,首先要制备相应参数的高温热管,且高温热 设计长度L 管在试验过程中容易损坏[,因而试验研究的 图2高温热管在飞行器中的位置示意 案例数量往往比较有限且成本较高。将试验研 ig. 2 The local geometry of high-temperature heat 究与数值模拟相结合,才能更好地探明高温热管
３４ 中国空间科学技术 Jun２５ ２０１９ Vol３９ No３ ２ 高温热管数值模拟研究进展 在常规条件下的高温热管冷冻启动过程和 传热特性的数值模拟方面,国内外学者也开展了 一定的研究.Cao和 Faghri等[３５]针对高温热管 启动过程提出了一个两区域模型,该模型将连续 蒸气流区域和稀薄蒸气流区域分开计算,在连续 蒸气区采用可压缩的 NavierＧStokes方程,在稀 薄蒸气区采用蒸气的质量自扩散方程,然后用合 适的边界条件将这两个区域联接起来,基于上述 两区域模型的数值计算结果与相应的试验数据 吻合良好.Tournier等[３６]基于尘气模型(Dusty gasmodel)建立了一个包含蒸气自由分子流、过 渡流和连续流３种类型流动的高温热管的启动 过程瞬态分析模型,数值计算结果得到的热管壁 面温度和试验测量值吻合良好,研究结果显示: 在蒸发段受热后,热管毛细芯内的固态金属钠首 先沿着径向熔化,当蒸发段的金属钠全部熔化之 后才开始轴向熔化,随后蒸发段内的液态钠开始 蒸发,最后慢慢由过渡流变为连续流.邓代英 等[２１]结合尖前缘气动加热环境分布特点进行计 算节点划分,采用热管基本理论和局部能量守恒 原理计算热管温度分布及“温度锋面”位置,建立 了一种用于分析不规则外形且承受非均匀瞬态 气动加热的一体化尖前缘高温热管启动性能计 算方法.袁园等[３７Ｇ３８]采用数值模拟的方法研究 了特定应用场合下高温热管从冷态零功率到满 功率的启动特性,获得了热管温度在启动过程中 的变化情况.沈妍等[３９]采用高温热管的网络模 型对高温热管进行了数值模拟,得到了高温热管 的热阻与输入功率、管壳材料的导热系数、管壳 的壁厚、毛细芯的导热系数以及冷凝段长度的初 步影响规律. 从以上结果可以看出,采用数值模拟的手段 研究高温热管的启动和工作过程是可行的,但目 前相关的研究还比较少.如果进行试验研究的 话,首先要制备相应参数的高温热管,且高温热 管在试验过程中容易损坏[４０],因而试验研究的 案例数量往往比较有限且成本较高.将试验研 究与数值模拟相结合,才能更好地探明高温热管 冷冻启动和运行规律以及复杂的传热特性. ３ 高温热管应用研究进展 ３１在高超声速飞行器热防护中的应用 高超声速飞行器在飞行过程中遭遇到极其 严酷的气动加热环境,导致表面温度极高,在飞 行马赫 数 为 ６~８ 的 时 候,驻 点 温 度 就 达 到 了 １６００~２６００℃ [４１Ｇ４３].随着飞行马赫数的增加, 温度还会变得更高.热防护问题已成为高超声 速飞行器发展中的关键制约因素和主要技术瓶 颈,是制约高超声速飞行器最终服役能力的关键 科学问题[４４Ｇ４８].利用高温热管则有望可以很好 地解决此问题:其将头锥、尖翼前缘等局部热流 集中区域产生的热量快速传输到机身、机翼上的 其他部位并加快热量向周围环境传递,从而可明 显降低头锥、尖翼前缘等局部的温度,减轻这些 部位的耐温压力,而且采用高温热管的热防护结 构是非烧蚀的,从而可重复利用,这是烧蚀式热 防护结构无法比拟的.在现有的研究中,高温热 管在飞行器中的位置通常如图２所示,考虑对称 性,在数值分析时,则采用图３所示的分析模型. 图２ 高温热管在飞行器中的位置示意[１] Fig２ ThelocalgeometryofhighＧtemperature heatpipeinanairvehicle 在高超声速飞行器热防护领域,使用高温热 管的效果是显著的,Bai等[５０]对高超声速飞行器 高温热管热防护结构的效果进行了初步研究,结 果表明:在高超声速飞行器热防护中采用高温热 管,可使驻点温度从１９２６℃降到９８２℃,效果十 分显著.李锋等[１２]对一种新型的热管疏导式热 防护结构进行了试验研究,结果发现在同等条件