二维复合毛细芯与二元工质耦合作用的蒸发-毛细抽吸流动研究

Heat pipes have very important applications in thermal management of satellites, electronic equipment, and so on. The heat transfer performance of heat pipe is mainly determined by the capillary force and the flow condition in capillary wick. Owing to the advantages of having good capillary force and good permeability, composite wick is one of the most potential development trends. This project proposes to develop a new kind of composite wick by increasing the porosity gradient dimension from one (radial only) to two (both radial and axial). The effects of the preparation parameters such as the parameters of materials, filling, forming and sintering on the performance of two dimensions composite wick will be investigated. The method which can well control the parameters of two dimensions composite wick will be developed. Since both water and ammonia have limits in working temperature range, solutions of alcoholics have much lower freezing point and they will be selected as potential working fluid for further investigated. The characteristics of evaporation-capillary pumping flow coupling by two dimensions composite wick, low freezing point binary mixtures working fluid and extreme heat load will be studied. The effects of capillary wick, working fluid, heat load on the performance of the system will be investigated. The parameter matching mechanism for improving the viable operating region with big capillary limit and wide working temperature range will be find out and it will be very helpful for the future development of high performance heat pipes.

热管在航天器热控、电子设备散热等方面有着重要的应用。毛细芯产生的毛细抽吸力以及工质在其内部的流动状况制约着整个热管的传热性能。复合毛细芯兼具高毛细抽吸力和高渗透率，是毛细芯最有潜力的发展方向之一。本项目将复合毛细芯的孔隙梯度由传统的一维（径向）拓展到二维（轴向和径向），探讨制备过程中的原料参数、填料参数、成型参数、烧结参数对二维梯度复合毛细芯性能的影响，发展可精准控制孔隙参数的制备方法；针对水、氨工质工作温度范围的不足，选择冰点较低的醇水溶液作为工质，研究二维梯度复合毛细芯与低冰点二元液体工质耦合作用的毛细抽吸流动特性、以及外界极端热负荷作用下的相变-毛细抽吸流动的规律，探明二维梯度复合毛细芯、低冰点二元液体工质、极端热负荷等参数耦合作用对毛细芯工质系统性能的影响规律，揭示具有高毛细极限和宽工作温度范围等特征的宽可行工作区域的毛细芯工质系统的参数匹配机理，为高性能热管进一步发展奠定基础。

热管在飞行器和电子设备热管理等方面有着重要的应用。毛细芯是热管的核心部件，传统均匀孔隙毛细芯往往难以同时兼顾高性能热管对于毛细抽吸力和渗透率两方面的需求。本项目着眼于研发具有梯度孔隙的高性能毛细芯和热管，主要的研究内容和结论如下：.根据达西定律及动量守恒原理对毛细芯内部抽吸工质的过程进行了分析，推导了毛细抽吸质量的数学关系式，通过实验研究验证了其正确性。通过仿真预测了孔隙结构分布对于复合毛细芯的影响，为实验的设计提供依据。.设计了不同结构分布的梯度孔隙复合毛细芯，分别利用纤维毡压制和金属粉末烧结的方式制备了不同的梯度孔隙毛细芯，并对毛细芯的孔径、孔隙率、渗透率等参数进行了表征。.研究了不同参数的梯度孔隙复合毛细芯的毛细抽吸性能及蒸发-毛细抽吸性能。结果表明：沿抽吸方向孔径和孔隙率递减的复合毛细芯相比于其它的毛细芯性能更优，毛细抽吸达到平衡的时间可以减少50%-80%。在蒸发端施加相同加热功率的情况下，该种结构的复合毛细芯的蒸发-抽吸的速率也更快，可提高约47%。在蒸发端施加加热功率时，随着加热功率的增大，孔径递减的复合毛细芯相比于其它毛细芯的毛细抽吸性能的提升程度先增大后减小，说明存在一个与毛细芯参数最匹配的加热功率。当加热功率为18W时，保持平均孔径一致，沿抽吸方向有四段、三段和两段孔径递减变化的复合毛细芯与无梯度孔隙的毛细芯相比，其毛细抽吸性能分别提高了约12%、9%和7%。在尺寸较大的毛细芯中设置更多的递减的段数对毛细抽吸性能的影响的效果更为明显，多段梯度递减的复合毛细芯更适合传热距离较远和传热功率较大的热管。.搭建了梯度孔隙毛细芯平板热管性能测试实验台，研究了不同孔隙分布的毛细芯平板热管的启动性能和传热性能。结果表明：含梯度孔隙复合毛细芯的平板热管表现出更好的性能，其中，沿工质回流方向孔径递减的复合毛细芯的平板热管的性能最好，具有更好的均温性能和更高的传热极限。放置倾角为45°时设置有梯度孔隙复合毛细芯能够使得平板热管的最大传热功率提高3W-4W。