【儀表網 研發快訊】航天事業特別是載人航天和深空探測的迅猛發展，對空間熱傳輸技術在功率、熱流密度和傳輸距離等方面提出了更為嚴苛的需求，基于氣液相變潛熱釋放的多相熱流體系統因高效傳熱性能成為廣受重視的空間先進熱傳輸技術發展的主要方向。
 

　　不同重力環境凝結導致的氣液兩相流動特征與傳熱性能，是多相熱流體系統空間應用中的關鍵問題之一，決定著系統的熱傳輸能力與系統穩定性。當工作介質為深低溫工質時，較低的表面張力會導致氣液界面不穩定性增強，這一趨勢疊加上重力差異引起的氣液界面分布形態變化，將進一步強化深低溫工質管內冷凝流動與換熱特性的天地差異。
 

　　詳細分析不同重力下深低溫工質流動冷凝過程中氣液界面行為及其對換熱性能的影響，對空間兩相系統應用特別是其中關鍵部組件之一——冷凝器的設計與優化，具有極為重要的實用價值。
 

　　近日，力學所微重力重點實驗室趙建福研究員團隊在35K溫區氖工質管內冷凝流動傳熱特性及重力水平影響方面取得進展。團隊構建了深低溫工質管內冷凝流動與換熱數值模型，通過和上海交通大學王文教授團隊地面常重力氖工質冷凝換熱實驗數據及氮工質冷凝流型觀測結果的比較，充分驗證了該數值模型的可靠性。
 

　　利用驗證后的數值模型，系統仿真分析了不同管徑、質量通量以及重力水平對氖工質冷凝流動過程中氣液分布形態及換熱特性的影響，揭示了深低溫工質冷凝傳熱過程在不同重力條件下傳熱強化、傳熱惡化和重力無關三種狀態的形成機理，認為流動中慣性力、重力和表面張力間的競爭決定的局部液膜分布形態。
 

　　其中，重力對水平管道截面上部液膜有著明顯的減薄效應，同時也導致冷凝液在底部匯聚形成所謂的“液池”。薄液膜熱阻小，傳熱效率高；而液池的大厚度導致熱阻顯著增大，傳熱效率低。重力引起的水平管道截面上部液膜厚度減小與薄液膜周向占比降低將同時存在，其綜合效應依賴具體的流動狀態，進而視具體情形的不同呈現出傳熱強化、傳熱惡化或重力無關三種不同表現。
 

　　對于深低溫工質而言，表面張力往往較低，當重力減小時，冷凝界面更容易發生流動失穩，引起氣液界面波動，甚至導致液膜破裂產生液滴夾帶現象。氣液界面波動會增大換熱面積，液滴夾帶則會降低附壁液膜厚度，均能強化冷凝傳熱效果。
 

　　相關研究成果已發表在Applied Thermal Engineering(2023, 233: 121162)和《工程熱物理學報》(2023, 44(3): 684-689)，第一作者為力學所博士生何發龍，力學所杜王芳副研究員、趙建福研究員和中國空間技術研究院北京空間飛行器總體設計部苗建印研究員為共同通訊作者。部分成果曾由何發龍在首屆多相傳輸及能源轉化利用國際會議(MTCUE-2022)進行過交流，并獲得“最佳論文獎”。
 

　　相關工作得到了國家自然科學基金面上項目(11972040)和國家重點研發計劃項目(2022YFF0503502)等的資助。
 

圖1  深低溫工質冷凝傳熱數值模型驗證結果
 

圖2  重力水平對不同干度氖工質截面氣液分布形態的影響
 

圖3  不同質量流量下重力水平對氖工質流動冷凝換熱系數影響
 

　　圖4  1mm和2mm水平管內不同干度位置截面氣液分布形態 (a) x=0.9; (b) x=0.7; (c) x=0.5; (d) x=0.3