环路热管温度波动现象的非平衡态热力学研究

There are temperature fluctuation phenomena in the working process of loop heat pipes. Once the temperature fluctuation leads to local overheating of the cooling object or poor heat dissipation, the cooling object may be damaged. Different from traditional studies, which analyze the phenomena from the linear theory of thermodynamics, this project will investigate the phenomenon of temperature fluctuations in the loop heat pipe guided by non-equilibrium thermodynamics theory. The main methods include the Cattaneo-Vernotte model, which introduced heat flux relaxation into the Fourier law, and a powerful tool for system stability analysis - Lyapunov method, combined with corresponding experiments,so that understand the phenomena from a new angle.The research contents include understanding the stability of the system in the case of light deviation to the equilibrium status by discussing the distribution and stability of the eigenvalues of the linear system (or extreme point), and understanding the temperature fluctuations and the generation of new dissipative structure in the case of nonlinear conditions by finding a suitable Lyapunov function. The research will provide theoretical basis for the safty application of loop heat pipes.

环路热管工作过程中存在着温度波动现象，一旦导致冷却对象的局部过热和散热不良，则可能损坏设备。传统研究都是从线性热力学理论角度来分析的，本课题将从非平衡态热力学的角度探索温度波动现象的产生机制和内在理论依据。研究的主要手段是借助为傅立叶导热定律引入热流弛豫项的凯特尼奥方程和李雅普诺夫系统稳定性分析方法，辅以相应的实验，从另一角度认识环路热管中的温度波动现象。研究内容主要包括通过讨论线性化系统的特征值(或极点)分布及稳定性，认识在偏离平衡态不远的情况下系统的稳定性问题，以及通过寻找合适的李雅普诺夫函数分析远离平衡态的情况下系统失稳的临界点，进而认识非线性条件下温度因失稳而波动和产生新的耗散结构的机理，为环路热管在实际工程中的安全应用提供理论基础。

本研究以线性热力学理论为指导，对环路热管的蒸发段、冷凝段等部件进行分析，通过建立环路热管的振子-弹簧-阻尼模型及一维热稳态模型来研究气液界面在输入功率变化情况下的运动情况。建立了环路热管振子-弹簧-阻尼模型和一维热稳态模型，通过拉普拉斯变换及逆变换获得了模型的解析解，进而模拟了变功率运行情况下冷凝器处气液界面的运动情况。结果显示，气液界面的来回移动主要由于管路两端的压力降及蒸汽柱的刚度系数的影响。模拟结果与一篇文献中的实验结果有较好的一致性。其次，建立了环路热管一维瞬态模型，并对不同输入功率、不同热沉传热系数下的启动过程进行了模拟。结果显示提高热沉传热系数有助于相态分布和温度分布尽快达到稳定，而输入功率过高将导致管路内气相工质无法冷凝。并认为提高冷凝器的换热能力，不仅有助于减弱冷凝器出口的温度波动现象，也有助于启动过程的相态分布和温度分布趋于稳定。通过制备一套以水为工质的环路热管系统，设计并进行了试验，通过对试验得到的温度数据进行处理分析，得到充液量、倾斜角、加热功率以及冷凝水流量对环路热管系统性能的影响，通过对各个因素间相互影响的分析，得出仅热源加热功率与充液量之间有交互作用,高热源功率会弱化充液量对环路热管系统的影响，其他因素间没有交互作用的结论。综合上述结果，本研究为探讨环路热管内部气液界面运动情况奠定了坚实的工作基础，同时对于认识环路热管内部温度波动现象提供了重要的启示性线索。