抗过载两相流换热器设计概念研究

随着高性能飞行器技术的发展，大批高集成度大功率电子设备装机，使环境控制系统的制冷载荷急剧增加。传统的空气循环式制冷系统已很难满足现代飞行器高功率密度电子设备的冷却要求。我国高性能战斗机及其它高超声速飞行器的发展，迫切需要为机载电子设备提供一个合适的工作环境，机载蒸发循环制冷系统的研发势在必行。但过载加速度环境下两相流的复杂性成了蒸发循环制冷系统发展的瓶颈，进而影响了其在航空航天技术上的应用。本项目提出了采用特定结构的螺旋传热管代替传统飞行器上简单平直传热管的设计概念，以期利用液体工质在具有一定曲率和结构的螺旋管中流动所产生的离心力，驱使液体工质在通道内形成二次涡流，从而克服加速度环境影响，防止液体涌塞和断流，使换热壁面始终维持润湿状态，并获得高传热系数。通过实验及核心机理模型的研究，深化对过载加速度场中传热机理的认识，获得抗过载两相流换热器设计的科学依据。

随着高性能飞行器技术的发展，大批高集成度大功率电子设备装机，使环境控制系统的制冷载荷急剧增加。传统的空气循环式制冷系统已很难满足现代飞行器高功率密度电子设备的冷却要求，机载蒸发循环制冷系统的研发势在必行。但过载加速度环境下的两相流的复杂性成为了蒸发循环制冷系统的发展瓶颈。本项目提出采用特定结构的螺旋传热管代替传统飞行器上简单平直传热管的设计概念，利用液体工质在具有一定曲率和结构的螺旋管中流动所产生的离心力，来抵消过载加速度的影响。2011年完成有关准备工作，包括金属和玻璃螺旋管的加工，实验所需试剂采购，实验仪器、设备的配套和调试，进行地面重力场下螺旋管两相传热与流动实验特性以及流动可视化的初步研究。2012年完成地面重力场环境下螺旋管内两相流动与传热特性实验研究。2013 年完成了过载加速度环境下螺旋管内两相流动与传热特性实验研究，并进行了核心机理模型研究以及实验关联式的拟合。整个实验在具有2m长转臂的离心机上进行，其最大能提供11g的离心过载加速度。流体的质量流速为40~200kgm-2s-1。干度为0至50%。首先对过载下的沸腾两相流进行了流型观测，主要观察到了泡状流、波状分层流、弹状流、波环状流、超大气弹流、搅拌流以及滞止孤立气泡流等流型，其中滞止孤立气泡为过载下特有的现象。实验中分析了壁面过热度以及对流换热系数，结果表明加速度会显著增加壁面过热度，尤其在低干度和低流速工况。在离心加速度下，径向布置方式安装的螺旋管中对流换热优于轴向布置，表现为对流换热系数的升高。本项目还分析了不同加速度大小对壁面过热度的影响，随着加速度值的增大，壁面过热度会升高，但在6g以下并不明显，在大于6g的加速度下，尤其是在轴向布置方式下，壁面过热度有明显升高，这有可能导热传热恶化。在压力方面，过载加速度对管内流体压力的影响除了会使进出口压力突然增大外，在某些工况下也会出现压力波动的情况，分析了出现波动的实验工况特点。实验结果中还总结了抗过载机理，流体在螺旋管中流动时，由于流道存在一定曲率，管壁会对流体产生指向螺旋轴心的向心力作用，如果此向心力和加速度在同一平面内，则在一定程度上可以减轻加速度对流动与传热的影响。项目研究成果可为我国下一代高性能军用机机载蒸发循环制冷系统设计提供重要数据支撑，对于促进下一代高性能军用机的综合化、多电化，提高机载光电设备的性能和可靠性具有重要意义。