自然循环两相回路的稳态特性及其减重力条件的比例模化研究

汽液两相自然循环回路作为两相散热系统的一种，因其不需要机械或毛细驱动装置，具有可在无额外功率驱动状态下利用废热自发运行的特点，在深空探测（如探月、火星探测等）特殊的航天应用中具有可预见的实用价值。两相自然循环系统在减重力环境下的稳态运行特性，是该系统在航天领域应用中的关键问题。另一方面，地面改变重力影响困难，同时又亟需寻找合理有效的方法来设计可靠的地面实验系统进行性能验证。针对这两个重要问题，本项目将对这类回路的稳态运行特性进行理论分析，利用实验与数值模拟验证不同稳态工作模式下的运行条件。然后在此基础上，展开系统级的相似性分析，获取不同重力环境下的比例模化依据，并利用数值模拟对所选取的准则参数或参数组合进行评估，为最终获得可应用于这类系统设计与实验验证的实现方法提供研究依据。

自然循环回路（Natural Circulation Loop）是以上升管与下降管之间的工质密度差所产生的重力压头进行驱动的一种散热系统。由于自然循环的运行可利用废热提供动力，无机械驱动部件，具有结构简单，工作寿命长等特点，被广泛应用。.在不同的应用环境，系统以何种工作模式（如全液相、汽相-液相、全两相、两相-液相、汽相-两相等）运行，尤其是涉及到空间应用方面，工作模式的划分可实现在不同重力条件下进行比例模化，将为系统的设计分析提供重要的依据。.本项目提出了表征系统驱动力相对大小的无量纲数ηp与表征系统冷凝效果的无量纲数ηl，利用ηp和ηl的关系对不同的工作模式进行划分。然后以均相模型为基础，利用SINDA/FLUINT平台，分析了三种冷凝器位置不同的自然循环结构，在ηp-ln(ηl)图上给出了五种工作模式分区图，从分区的效果来看，无量纲数ηl与 ηp适用于工作模式的比例模化。由于ηp与重力有关，从理论上来看，也适用于空间不同重力环境的比例模化。.在其他研究成果中，本项目提供了一种以自然循环为基础的数据中心机柜散热系统，该系统可以实现利用冷却水进口温度<28°C时，散热功率达到2400W的效果，并可以满足热载荷非平衡条件下散热需求。.利用模拟平台，为一种使用在空间航天器的多舱耦合系统，进行了热调配能力分析工作，指出最合适的调配模式为中低温调配，中温耦合模式。.最后，对一种泵驱CO2的并联蒸发器的稳定区边界进行划分，并提出了一种适用于分布式热源情况下脉动周期的计算方法，并与实验结果进行了对比。