航天器复杂热管理系统优化的[火积]分析理论研究

The entransy optimization of heat transfer is a new theory developed in recent years. This project investigates the entransy theory and extends it to the coupled heat transfer processes of heat conduction/convection and thermal radiation, and to the processes with phase change, to satisfy the demands on the thermal management of the developing multi-module manned space station of China and the future techniques. The aim is to develop the guiding principles for the design of the complex thermal management systems of space vehicle. The main research contents of this project contain following items: 1) investigating the definition of entransy flow for thermal radiation in coupled heat transfer problems and setting up the optimization principles for such cases; 2) deriving the entransy balance equation for the heat transfer processes that contain phase change, and establishing the optimization principles for such cases; 3) analyzing the entransy dissipation of each part in the system by temperature - heat flow diagram, etc., finding the relationships between entransy dissipation, entransy-dissipation-based thermal resistance and the heat transfer behaviors, and developing the optimization principles and optimization models with constraints on weight and power consumption; 4) comparing the optimizations of entropy generation/exergy and entransy dissipation/resistance on the heat transfer of thermal management system and summarizing their applicability conditions; 5) verifying and evidencing the entropy generation and entransy dissipation/resistance optimization methods by the experiments of the mechanically-pumped two-phase cooling loop.

项目针对国家多舱段载人空间站以及未来航天器热管理技术发展的需求，结合近年发展起来的传热过程优化的新概念-[火积]（简称积，英文为entransy），开展积优化理论与方法的研究，将其拓展到导热/对流与辐射耦合传热和含有相变过程的传热问题，为复杂航天器热管理的方案设计提供指导原则。主要内容有：1）研究耦合传热时辐射积流的定义问题，建立相应的优化原则，对耦合热控制回路进行优化分析；2）推导建立含有相变过程的积平衡方程，建立优化准则；3）采用温度-热量图方法分析系统各部分在换热过程中的积耗散，建立积耗散/积耗散热阻与系统传热效果之间的关系，研究优化准则；建立具有功耗/重量约束条件的优化控制模型，对热管理系统进行优化；4）结合热管理的传热过程，开展熵产/可用能分析，对比总结熵产最小和积耗散/热阻优化的适用条件；5）通过机械泵驱动的两相热控回路的实验研究，验证熵产和积耗散/热阻优化的理论与方法。

航天器热控回路是一个复杂的问题，回路中部件的传热特性（特别是冷板）也要改善以降低部件重量。另一方面，近年[火积]理论在传热优化中有了快速发展。本项目将[火积]理论用于航天器等热网络和循环的研究，并促进[火积]理论的发展。项目完成了如下研究内容和成果。.1）建立了两相泵驱动热控网络热分析模型，研究了运行参数，确定了热控边界极限。.2）用[火积]耗散极值原理研究了单股流和两股流换热器网络，针对传热面积、散热量以及流体流量分配等优化问题，证明了系统热组件平均温度最低与[火积]理论一致；对涉及热量分配的问题，串、并联网络的最优分配方案均符合温差场均匀性原则。.3) 针对具有相变过程的复杂两相流体回路热管理系统，推导建立了相变过程和变物性条件下的[火积]平衡方程，讨论了相变和变物性情况下[火积]的定义和传热与最小热阻的关系。.4) 建立了热力循环[火积]分析体系，明确了输出功对系统[火积]的影响，建立了[火积]损失与系统输出功之间的关系，绘制了热功转换过程的T-q图，总结对比了熵产最小优化和[火积]耗散、[火积]损失优化的适用条件。研究了热泵系统，确定了系统最优与系统[火积]变化之间的关系。.5)针对两相热控流体回路的冷板，研究了重力方向对微通道冷板两相换热的影响，提出了采用泡沫铜作为通道壁面的两相微通道结构，实验表明该结构能够有效提高烧干的干度和换热性能。.6）对辐射与导热对流耦合传热的[火积]流定义进行了研究，明确了优化目标与[火积]流定义的关系。.发表论文24篇（SCI收录22篇，他引136次，单篇最高他引21次），培养两名博士生，超额完成任务。泡沫小通道冷板的研究在17年的中国空间热物理学会上作大会特邀报告，并受邀将在18年ASME的ICNMM会议上做特邀报告。