高强度变热流条件下多孔介质内液态金属流动与传热机理的研究

本项目针对碟式太阳能热发电技术中热管式接受器内部的传热传质问题，研究跨尺度多孔介质吸液芯的表征结构和水力特性、液态金属在其内部的流动与及相变传热机理与规律以及液态金属热管的冷启动性能和传热极限。.项目通过模拟研究在变倾角、高强度和变热流载荷的外部边界条件下液态金属的流动传热特性，揭示跨尺度多孔介质吸液芯的结构表征对液态金属在其内部流动分布与传热的影响，同时探索变热流边界条件对吸液芯骨架受力及孔隙形变的影响；研究液态金属在密闭空间多孔介质吸液芯内的固-液-气三相耦合相变传热传质机制，热管在热段高强度、变热流载荷的加热条件以及冷段高速气体对流换热的冷却条件下的热响应性能和稳定性；建立液态金属热管内部的传热模型并推导出其传热极限；搭建多孔介质吸液芯水力性能和液态金属热管传热性能模拟试验平台，验证研究方法的正确性，深化液态金属在多孔介质内流动与传热的机理，丰富碟式太阳能热发电技术理论。

本项目以碟式太阳能热发电技术中热管接收器为研究背景，针对液态金属热管内部的传热传质问题展开研究，内容和重要结论如下：.第一，搭建多孔介质吸液芯水力性能试验平台，得到了跨尺度多孔介质吸液芯的表征结构和水力特性。采用真空吸入法和层流压降法分别测得不同厚度下金属纤维毡的孔隙率和渗透率，进而研究了湍流压降表达式及其影响因素。对不同压紧厚度金属纤维毡进行毛细抽力试验测得其毛细抽力和有效毛细半径。.第二，对液态金属在多孔介质内的流动传热机理与规律进行了深入研究。采用有限容积法和达西理论数值模拟了组合式吸液芯内液态金属钠的流动特性，分析了压力降、分布均匀程度、湍流动能和湍流耗散率等因素的影响。对金属纤维毡建立单元和多单元微观模型，考虑了热流固耦合作用，模拟研究了在高强度和变热流载荷外部边界条件下液态金属的微观流动传热特性。.第三，对液态金属在多孔介质内的气-固-液三相耦合相变传热机理与规律进行研究。考虑了非达西效应和液态金属钠的自然对流的影响，采用有限容积法和焓-多孔介质模型数值模拟了组合式吸液芯内液态金属钠的固-液相变过程。另外，采用有限容积法、两区域模型数值模拟热管冷启动过程，建立热管启动时内部连续蒸汽界面移动的数学模型，包括金属钠在多孔介质吸液芯内的熔化、钠液在吸液芯和蒸汽交界面的蒸发、金属钠蒸汽在热管中的移动、钠蒸汽在吸液芯和吸液芯交界面的凝结以及金属钠液在多孔介质吸液芯内的回流。.第四，建立液态金属热管内部的传热模型并推导出其传热极限。对金属纤维毡吸液芯高温热管建立瞬态网络模型，并与热管导热模型、集总参数模型和试验结果相比验证可靠性，得到结构参数对热管性能的影响。此外，对三角沟槽高温热管建立动量模型，并与试验结果对比，考虑了工作倾角和几何尺寸的影响。对组合式高温热管传热极限进行了理论推导，其中，声速极限和毛细极限是限制高温热管最大传热量的主要因素。.第五，搭建液态金属热管传热性能模拟试验平台，分别进行了冷启动和非稳态传热性能试验。结果表明高温热管停止工作的方式，即工质在热管中凝结的位置对热管的启动性能影响不大。三角沟槽、金属纤维毡和组合式吸液芯高温热管在非稳态加热条件和变倾角工况下运行时，分析了热管的热响应和热缓冲，发现组合式吸液芯的热响应速率最快且最平稳。.第六，所设计的热管式接收器在热管材料达到热应力极限前正常启动；所能承受的极限热流密度达到63.1e4W/m2。