【摘要】：21世紀(jì)以來(lái),因?yàn)閭鹘y(tǒng)太陽(yáng)能無(wú)法滿足星球表面科研站等深空探測(cè)需求和未來(lái)空間活動(dòng)對(duì)百千瓦級(jí)以及兆瓦級(jí)功率的需求,美國(guó)、俄羅斯以及中國(guó)等國(guó)正在研制百千瓦至兆瓦級(jí)、壽命不小于10年的空間核動(dòng)力系統(tǒng)。而對(duì)于如此大功率的航天器系統(tǒng)而言,如何保證其熱平衡成為了實(shí)現(xiàn)大功率航天器的關(guān)鍵技術(shù)之一。液滴輻射換熱器(LDR)是一種非常有前景的新型空間廢熱導(dǎo)出系統(tǒng),用于排出由太空電力系統(tǒng),推進(jìn)或航天器系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱。LDR相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)存在眾多優(yōu)點(diǎn),包括具有更小的單位功率質(zhì)量、能更加緊湊地存儲(chǔ)在航天腔室內(nèi)、在軌道上安裝展開(kāi)相對(duì)容易和因?yàn)橹饕岵课粸橐旱螌佣枪虘B(tài)的熱管裝置,因此幾乎免疫來(lái)自激光、粒子束和動(dòng)能武器的威脅,是一種前景非常好的空間飛行器散熱系統(tǒng)。LDR液滴發(fā)生器到液滴收集器中的液滴層是空間輻射散熱的有效部位,因此研究其輻射換熱特性對(duì)于整個(gè)LDR系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。相較于傳統(tǒng)的將LDR液滴層溫度視為二維連續(xù)的分布情況而言,本文從單個(gè)液滴的角度重新建模對(duì)液滴層的輻射換熱特性進(jìn)行了分析。此方法的相對(duì)于傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于:(1)將液滴層的輻射換熱特性當(dāng)作三維瞬時(shí)問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算,即不忽略厚度方向的溫度變化;(2)液滴層溫度分布無(wú)限制,即無(wú)需假設(shè)液滴層溫度連續(xù)可導(dǎo)。本文從單個(gè)液滴的角度出發(fā),研究了稀疏型LDR系統(tǒng)的液滴蒸發(fā)特性和輻射換熱特性、兩液滴之間的輻射換熱特性、多液滴之間的角系數(shù)求解和矩形LDR系統(tǒng)液滴層的輻射換熱特性,發(fā)現(xiàn)計(jì)算單個(gè)液滴的輻射換熱性質(zhì)得到整體液滴層的輻射換熱性質(zhì)的方法是可行的;并且在計(jì)算液滴的輻射換熱特性時(shí),可以忽略液滴的蒸發(fā)影響。兩液滴之間的輻射換熱角系數(shù)只與兩液滴之間的距離與液滴半徑之比有關(guān);并且三個(gè)液滴之間的輻射換熱角系數(shù)只與三個(gè)無(wú)量綱常數(shù)_1k、_2k和_3k有關(guān),其中_1k、_2k和_3k分別為三個(gè)液滴之間的間距與液滴半徑之比。通過(guò)引入一般角系數(shù)矩陣的概念后,可以極大地簡(jiǎn)化矩形LDR系統(tǒng)液滴層的輻射換熱特性,根據(jù)一般角系數(shù)矩陣計(jì)算得到液滴層溫度分布在厚度-寬度截面上的溫度分布是均勻的,最大溫差不超過(guò)10~(-4)K,由此可以根據(jù)此特性將矩形LDR系統(tǒng)液滴層輻射換熱模型簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果表明,簡(jiǎn)化模型與原始模型吻合較好,兩模型之間的相對(duì)誤差不超過(guò)0.35%,因此可以在LDR系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)階段,利用簡(jiǎn)化模型提高設(shè)計(jì)效率。
【圖文】：

原理如圖1.1 所示。液滴散熱器的工作流程如下：液滴發(fā)生器將液滴工質(zhì)從連續(xù)流體轉(zhuǎn)換為數(shù)以億計(jì)的單個(gè)液滴，液滴在空間飛行過(guò)程中將自身的熱量通過(guò)輻射散熱導(dǎo)出到宇宙空間，然后由液滴收集器將液滴收集起來(lái)，由循環(huán)泵經(jīng)過(guò)換熱器吸收由空間系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱，由此循環(huán)運(yùn)行導(dǎo)出空間系統(tǒng)廢熱。LDR 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)存在眾多優(yōu)點(diǎn)[17]。根據(jù)現(xiàn)有研究而言，LDR 具有更小的單位功率質(zhì)量和能更加緊湊地存儲(chǔ)在航天腔室內(nèi)。因?yàn)?LDR 的關(guān)鍵設(shè)備相對(duì)較小，與熱管

圖 1.2 先進(jìn)空間散熱系統(tǒng)質(zhì)量的比較[16]圖 1.3 移動(dòng)帶式散熱器、居里點(diǎn)散熱器和旋轉(zhuǎn)氣泡膜散熱器示意圖LDR 的概念最初產(chǎn)生于 1979 年，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同主要可以分為螺旋形 LDR、環(huán)DR、封閉蝶形 LDR、三角形 LDR 和矩形 LDR，如圖 1.4 所示[15,20]。螺旋形 LDR 如.4(a)所示，液滴發(fā)生器處于螺旋線中間，液滴產(chǎn)生后沿著螺旋線向外運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)中向空間導(dǎo)出熱量，最終由處于邊緣的液滴收集器收集。環(huán)形 LDR 示意圖如圖 1.4示，液滴發(fā)生器和收集器均設(shè)計(jì)為環(huán)形。封閉蝶式 LDR 示意圖如圖 1.4(c)所示，，液
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK172

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本文編號(hào)：2683248