双孔径多孔介质相变传热与流动机理分析及其散热系统研究

回路热管（LHP）是一种以毛细力为驱动力、利用相变传递热量的装置，在高热流密度电子器件散热及航天器热控中有着十分广泛的应用前景。但是LHP在小型化之后，将会产生许多问题，如传热性能下降，启动困难，系统温度压力振荡等，这成为制约LHP广泛应用的重要因素。本项目将在已有的研究工作基础上，针对小型平面式LHP展开系统的、深层次的研究，主要包括：双孔径毛细多孔介质的制作工艺以其热物理性能测试和表征；双孔径毛细多孔介质内蒸发传热与流动机理研究；微小型LHP系统运行动态模型研究；基于双孔径毛细多孔介质的小型平面式LHP样机研制及其性能实验研究。通过上述研究，将揭示双孔径毛细多孔介质内的相变传热与流动特征，并研究其与系统传热性能、启动、非稳态运行之间的规律及驱动机制，提出削弱或者抑制LHP压力、温度波动的措施。

传统的回路热管毛细芯均采用单粒径粉末烧结而成，由于孔径分布均一，在高热流密度下，产生的蒸汽不能及时排出，易造成蒸汽阻塞，影响液态工质的补充，进而导致毛细结构干涸，因而难以提高回路热管的传热性能。为了改良与控制毛细结构的孔径分布，使得蒸汽的流动通道增多，进而提高LHP的性能，研制了双孔径结构毛细芯。在双孔径毛细芯中，小孔径可以为系统提供比较大的毛细力，而大孔径可以降低流动阻力，此外，采用双孔径结构，还可以使相变界面不局限于毛细结构表面，允许在毛细结构内部发生蒸发，这样还大大增加了传热面积，使得蒸发器的性能大大改善。. 烧结出了不同大孔比例的双孔径毛细芯，以及带齿结构的毛细芯，通过实验测量了其孔隙率和渗透率。采用了介观的格子Boltzmann方法对双孔径毛细芯进行了孔隙尺度的流动模拟。使用了单相模型和混合模型两种方法对带补偿腔的平板型LHP蒸发器进行了二维数值模拟，由模拟结果分析了平板式蒸发器侧壁导热及背向导热效应对蒸发器稳态运行性能的影响。根据平板式回路热管结构和运行特征，针对以甲醇为系统工质，且以不锈钢制成的铁丝网为毛细芯的矩形蒸发器，风冷式翅片管冷凝器组成的平板式小型环路热管，建立了其稳定运行模型，对其运行特性进行了数值建模，主要研究了环境温度、系统热负荷对整个环路热管系统稳态运行特性的影响，特别考察了系统在重力辅助作用下的运行特性。实验设计了包括双毛细芯蒸发器，并联蒸发器以及不同密封方式的蒸发器的平板型负压LHP系统，以及不锈钢-氨正压LHP系统，研究了其启动和变工况运行特性，分析了蒸发器结构、补偿腔结构、回路结构和密封方式对平板型LHP系统的性能影响。得出的结果对毛细相变结构和毛细相变回路的设计具有一定的指导意义。