CN109858086A - 一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，属于航天器热控技术领域，具体步骤如下：第一步，根据两相流体系统内的气液流动及气液分布的特点，确定两相流体系统的工作模式；第二步，根据两相流体系统所处的工作模式，分析在1g的重力条件下，浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d的取值范围；本发明通过分析重力条件对其相变工作过程工质流动换热的影响，以获得1g和0g<g_m<1g条件下两相流体系统重力无关的特征参数选取准则。

Description

一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法

技术领域

本发明属于航天器热控技术领域，具体涉及一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法。

背景技术

空间两相热管理技术利用两相相变潜热实现高效的热量传输，是解决空间航天器大功率热传输和热排散的有效技术手段。空间用典型两相传热及散热技术，包括环路热管、月球1/6g重力驱动两相流体回路、可变热导热管、水升华器、蒸发器等。其中环路热管、月球1/6g重力驱动两相流体回路、可变热导热管属于高效两相传热技术，水升华器、蒸发器等属于高效两相散热技术。随着我国航天的发展和航天器热控技术更新换代，上述各项空间两相热管理技术已成为我国未来航天器热控中必不可少和必须突破的热控手段。

上述空间两相热管理技术基本工作原理和运行方式不同，但其工作利用的两相工质相变传热机理具有一定的共同点。如应用于航天器热控系统的两相热管理技术，在工作中必然面临空间微重力环境或月球1/6g重力环境等非地球重力环境。但是，对于空间用两相热管理系统，其研制过程中的性能测试、验证等试验必须在地面1g重力环境中进行。其在地面试验中的流动与换热不可避免地要受到重力的影响。当前微重力或部分重力条件下气液两相流动的实验研究手段主要有空间微重力实验、地面或近地面微重力实验、地面微(部分)重力模拟验证。如利用空间飞行器、失重飞机、落塔等，直接测试实验对象在微重力或部分重力环境下的流动及传热特性，微重力或部分重力环境试验真实可信，但实验费用较高、实验装置及实验操作复杂；失重飞机和落塔等微重力持续时间短(失重飞机≈20s，落塔≈5s)，实验过程中残余重力及其波动会影响测量参数的准确性，持续时间短也与实验对象内部物理过程的发展特点不协调。因此采用失重设备的微重力试验不仅费用高昂，而且不一定能满足所有项目的试验需求。

在我国未来的深空探测任务中，两相流体系统必须能够适应月面1/6g或其它星球重力环境。但在地面验证试验中，模拟1/6g或微重力环境有一定的困难。所以希望通过两相流体系统的重力无关设计，实现在地面重力环境中对两相流体系统工作性能进行模拟的目的。因此对重力条件对空间两相流体系统工作特性的影响进行分析，获得地面试验中重力的影响是否可以忽略的判断准则，对空间两相流体系统在地面试验中的可测性及其测试结果的可信性有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，分析重力条件对其相变工作过程工质流动换热的影响，以获得1g和0g<g_m<1g条件下两相流体系统重力无关的特征参数选取准则。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，在两相流体系统中，表征两相流体系统与重力相关特性的无量纲参数分别为Bond数Bo、Froude数Fr、Grashof数Gr、Reynolds数Re及Rayleigh数Ra；其定义分别为：

其中，ρ为流体的密度，且ρ＝ρ_l-ρ_v，ρ_l为流体中气体的密度，ρ_v为流体中液体的密度，g为重力加速度，d为液体表面间的特征距离，即两相流体系统的特征参数，u为流体流速，σ为流体的表面张力，α为流体的热膨胀系数，ν为流体的运动粘度，ΔT为两相流体系统中液体的内部温差，k为热扩散率；

所述特征参数设计方法的具体步骤如下：

第一步，根据两相流体系统内的气液流动及气液分布的特点，确定两相流体系统的工作模式，所述工作模式包括：有强制对流的情况、有强制对流和毛细力共同作用的情况、无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况中的任一种或一种以上的组合情况；

第二步，根据两相流体系统所处的工作模式，分析在1g的重力条件下，浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d的取值范围；分析及计算过程如下：

(1)有强制对流的情况：

若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：

即，特征参数d应满足：

(2)有强制对流和毛细力共同作用的情况：

若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：

即，特征参数d应满足：

(3)无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况：

第一种，介质为非多孔介质，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：

即，特征参数d应满足：

第二种，介质为多孔介质，用公式(11)所示修正的Ra数代替公式(5)所示的Ra数，即

其中，K为多孔介质渗透率，且K＝f(ε)d_p ²，f(ε)为关于孔隙率的表达式，d_p为组成多孔介质的微粒尺寸；

因此，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：

由于d_p≤d，即若则必然使得因此，特征参数d应满足：

综上，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，航天器气液两相流体系统的特征参数d应当满足公式(10)或公式(13)；

(4)若是以上三种情况中的任两种组合时：

在地面试验过程中，若要实现两相流体系统整个工作区间的重力无关设计，抑制重力引起的浮力对流的影响，其特征参数应同时满足其对应情况的重力无关条件，即同时满足其对应情况的公式(7)、公式(9)、公式(10)或公式(13)的交集，该交集作为准则对空间两相流体系统的特征参数进行设计。

进一步的，根据第二步的分析过程，扩展到g_m＝0g～1g的重力条件下，分析浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d_m的取值范围；分析及计算过程如下：

(1)有强制对流的情况，在g_m＝0g～1g的重力条件下，若要忽略当前重力条件对两相流体系统内对流换热的影响，特征参数d_m应满足：

(2)有强制对流和毛细力共同作用的情况，在g_m＝0g～1g的重力条件下，若要忽略当前重力条件对两相流体系统内对流换热的影响，特征参数d_m应满足：

(3)无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况，在g_m＝0g～1g的重力条件下，若要忽略当前重力条件对两相流体系统内对流换热的影响，特征参数d_m应满足：

(4)若是以上三种情况中的任两种组合时：

在g_m＝0g～1g的重力条件下试验过程中，若要实现两相流体系统整个工作区间的当前重力无关设计，其特征参数应同时满足其对应情况的重力无关条件，即同时满足其对应情况的公式(16)、公式(17)、公式(18)的交集，该交集作为准则对空间两相流体系统的特征参数进行设计。

进一步的，分析在地面重力g条件下计算得到的特征参数d与在重力g_m条件下计算得到的特征参数d_m的关系，分析过程如下：

由可知

由可知

由可知

或由

可知，

因此，在0g<g_m<1g重力环境下，根据不同的三种单独的工作模式，若要忽略重力影响的两相流体系统的特征参数的取值上限可分别对应为地球重力g环境的倍、倍、倍。

进一步的，对于航天器气液两相流体系统，在公式(8)的有效的判定准则为：

有益效果：(1)本发明提出了两相流体系统的特征参数设计方法，使按照该方法设计的两相流体系统具有重力无关的特性；即可以在地面试验中，使重力引起的自然对流对试验结果的影响被忽略，从而解决了在空间0g～1g环境中工作的两相流体系统在地面1g重力环境中试验的有效性、两相流体系统在地面试验中的可测性及其测试结果的可信性难题。

(2)本发明提出的设计方法可以推广应用于0g<g_m<1g重力环境的两相流体系统的特征参数的设计。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实施例的水升华器地面试验温度图；

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，在两相流体系统中，表征两相流体系统与重力相关特性的五个无量纲参数分别为Bond数(邦德数)Bo、Froude数(弗劳德数)Fr、Grashof数(格拉晓夫数)Gr、Reynolds数(雷诺数)Re及Rayleigh数(瑞利数)Ra；其中，Bo数表示流体中浮力和表面张力之比，Fr数表示流体中惯性力和重力(浮力)之比，Gr数表示流体中温度变化引起的浮力与黏性力之比,Re数表示流体中惯性力和粘性力之比，Ra数表示浮力和粘性力之比与动量和热扩散系数之比的乘积；其定义分别为：

其中，ρ为流体的密度(kg/m³)，且ρ＝ρ_l-ρ_v，ρ_l为流体中气体的密度(kg/m³)，ρ_v为流体中液体的密度(kg/m³)，g为重力加速度(m/s²)，d为液体表面间的特征距离，即流体系统的特征参数(m)，u为流体流速(m/s)，σ为流体的表面张力(N)，α为流体的热膨胀系数(K^-1)，ν为流体的运动粘度(m²s^-1)，ΔT为两相流体系统中液体的内部温差，k为热扩散率(m²s^-1)；所述无量纲参数用于表征不同意义的物理量之间的相对强弱；如，当Bo小于或接近于1时，表面张力控制流体的流动特征；当Bo远大于1时，浮力控制流体的流动，表现为浮力对流；

参见附图1，所述特征参数设计方法的具体步骤如下：

第一步，根据两相流体系统内的气液流动及气液分布的特点，确定两相流体系统的工作模式，所述工作模式包括：有强制对流的情况、有强制对流和毛细力共同作用的情况、无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流(贝纳特流)的情况中的任一种或一种以上的组合情况；

第二步，根据两相流体系统所处的工作模式，分析在1g的重力条件下，浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d的取值范围；分析及计算过程如下：

(1)有强制对流的情况：

在地面重力环境中，对于气液换热过程既受强制对流影响，又受重力引起的自然对流影响的两相流体系统，根据流体流动过程中所受的浮升力与惯性力的比值Gr/Re²，来判断强制对流和自然对流相对强弱，若两相流体系统要满足重力无关特性，应满足Gr/Re²<0.1，此时，强制对流比自然对流对两相流体的影响大，自然对流的影响可以忽略，即可忽略重力对两相流体系统的影响；将公式(3)和(4)代入Gr/Re²<0.1，得到

同时，根据Fr的定义可知，Fr表示是惯性力与重力(浮力)的相对强弱，若两相流体系统要满足重力无关特性，应满足Fr>1，此时，惯性力的影响大于重力(浮力)的影响，重力对两相流体系统的影响可忽略；将公式(2)代入Fr>1，得到

综合公式(6)和(7)可得，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统的特征参数d应满足：

公式(8)表明，若与重力无关时的特征参数的选取与两相流体系统中流体流速u的二次方有关，在同样的重力条件下，大流速系统的可抑制重力影响的特征参数大于小流速系统的可抑制重力影响的特征参数；

对于常用的航天器气液两相流体系统，其工质运行的温度区间在273.15K～328.15K之间，所用工质如液氨、水等的热膨胀系数都比较小；因此在公式(8)中，只有两相流体系统内液体内部温差ΔT达到几百K时，才能使得而航天器常用的气液两相流体系统的工作原理决定其内部不会出现如此大的温差；因此，对于航天器气液两相流体系统，Gr/Re²<0.1的约束条件没有Fr>1的条件严格；所以对公式(8)取交集，其有效的判定准则变为：

(2)有强制对流和毛细力共同作用的情况：

对于常见的航天器气液两相流体系统，判断能否忽略重力影响的有效准则数为：表征浮力和表面张力、浮力与惯性力之间相对强弱的准则数，即Bo数和Fr数；因此，在有强制对流和毛细力共同作用的情况下，考虑浮力与表面张力及惯性力间相对强弱时，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统的特征参数d应当满足：

(3)无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况：

对于没有自由流动界面的系统，若不考虑两相交界面处相变引起的对流变化，则在地面重力环境下，两相流体系统内的对流可以视为典型的Rayleigh-Bénard对流，即当存在平行于重力场方向的温度梯度时，温差引起流体的密度变化，产生与重力方向相反的浮力，流体的浮力作用具有驱动流体形成对流的趋势；当浮力作用可以克服液体的黏性力作用时，液体中将形成一系列对流胞元，且将Ra数作为临界参数判断是否形成对流胞元；

第一种，若介质为一般介质(即非多孔介质)，在地面试验中，对于无自由流动界面的两相流体系统，流体区域不产生对流胞元(即忽略重力影响)的条件为：

第二种，若介质为多孔介质，用公式(11)所示修正的Ra数代替公式(5)所示一般意义上的Ra数，即

其中，K为多孔介质渗透率(m²)，且K＝f(ε)d_p ²，其中，f(ε)为关于孔隙率的表达式，d_p为组成多孔介质的微粒尺寸；

因此，在地面试验中，对于无自由流动界面的两相流体系统，流体区域不产生对流胞元(即忽略重力影响)的条件为：

由于一般情况下d_p≤d，即若则必然使得因此，

综上，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，航天器气液两相流体系统的特征参数d应当满足公式(10)或公式(13)；

(4)若是以上三种情况中的任两种组合时：

在地面试验过程中，若要实现两相流体系统整个工作区间的重力无关设计，抑制重力引起的浮力对流的影响，其特征参数应同时满足其对应情况的重力无关条件，即同时满足其对应情况的公式(7)、公式(9)、公式(10)或公式(13)的交集，该交集作为准则对空间两相流体系统的特征参数进行设计。

第三步，根据第二步的分析过程，扩展到g_m＝0g～1g的重力条件下，分析浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d_m的取值范围；分析及计算过程如下：

以两相流体系统包含三种工作模式为例，对公式(7)、公式(9)和公式(10)或公式(13)取交集，得到，

其中，将地面重力g条件替换为两相流体系统所处的当前重力g_m条件，可得到d_m的取值范围，为

第四步，分析在地面重力g条件下计算得到的特征参数d与在重力g_m条件下计算得到的特征参数d_m的关系，分析过程如下：

由可知

由可知

由可知

或由

可知，

因此，在0g<g_m<1g重力环境下，根据不同的三种单独的工作模式，若要忽略重力影响的两相流体系统的特征参数的取值上限可分别对应为地球重力g环境的倍、倍、倍。

以典型的气-固-液相变散热装置水升华器为例，对水升华器的特征参数进行设计的步骤如下：

第一步，将水升华器的稳定工作过程对应划分为两个工作模式；所述工作过程为多孔板内的蒸发阶段和多孔板内的升华阶段；

当水升华器的工作过程处于多孔板内的蒸发阶段时，给水腔被给水充满，给水质量流量大大减小，惯性力对给水的流动的主导作用减弱，多孔板内水的表面张力作用增强；此时，属于有强制对流的情况；

当水升华器工作过程处于多孔板内的升华阶段时，给水暂停进入给水腔，水升华器内流体的自由界面消失；若不考虑冰水交界面处相变引起的对流变化，则在地面重力环境下，此时给水腔内的对流视为无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流；

第二步，根据两相流体系统所处的工作模式，分析在1g的重力条件下，浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d的取值范围，其中，本实施例中，特征参数d为给水腔内多孔介质的孔径；

(1)在有强制对流的情况下，计算得到在地面重力g条件下，水升华器的特征参数

(2)在无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况下，计算得到在地面重力g条件下，水升华器(多孔介质)的特征参数

综上，特征参数d的取值范围为

其中，给水腔内水的流速A_c为给水腔沿给水方向的截面积，ε为泡沫金属的孔隙率，L为流通截面的长度，ρ为给水腔内水的密度，水升华器给水质量流量Q为热负荷，h_e为相变潜热，参见附图2；

如：水升华器内水的特征温度为293.15K；工作稳定后水腔冷、热面的温差ΔT为20K；水升华器内部填充的多孔介质的孔隙率f(ε)为96％，水流通截面长度L为0.15m；则水升华器的重力无关特征参数d<2mm；结果表明按照该方法设计的水升华器的特征参数在地面试验中可以抑制重力对流动和换热的影响；

第三步，拓展至不同重力条件对水升华器的特征参数选取的应用中；对于工作在0g<g_m<1g重力环境中的水升华换热器，如月面g_m＝1/6g重力环境时，水升华器重力无关的特征参数的取值上限可分别为地球重力环境的6倍、倍、倍；因此，在g_m＝1/6g重力环境下，水升华器重力无关的特征参数的取值上限为

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，在两相流体系统中，表征两相流体系统与重力相关特性的无量纲参数分别为Bond数Bo、Froude数Fr、Grashof数Gr、Reynolds数Re及Rayleigh数Ra；其定义分别为：

其中，ρ为流体的密度，且ρ＝ρ_l-ρ_v，ρ_l为流体中气体的密度，ρ_v为流体中液体的密度，g为重力加速度，d为液体表面间的特征距离，即两相流体系统的特征参数，u为流体流速，σ为流体的表面张力，α为流体的热膨胀系数，ν为流体的运动粘度，ΔT为两相流体系统中液体的内部温差，k为热扩散率；

其特征在于，所述特征参数设计方法的具体步骤如下：

第一步，根据两相流体系统内的气液流动及气液分布的特点，确定两相流体系统的工作模式，所述工作模式包括：有强制对流的情况、有强制对流和毛细力共同作用的情况、无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况中的任一种或一种以上的组合情况；

第二步，根据两相流体系统所处的工作模式，分析在1g的重力条件下，浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d的取值范围；分析及计算过程如下：

(1)有强制对流的情况：

若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：

即，特征参数d应满足：

(2)有强制对流和毛细力共同作用的情况：

若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：

即，特征参数d应满足：

(3)无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况：

第一种，介质为非多孔介质，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：

即，特征参数d应满足：

第二种，介质为多孔介质，用公式(11)所示修正的Ra数代替公式(5)所示的Ra数，即

其中，K为多孔介质渗透率，且K＝f(ε)d_p ²，f(ε)为关于孔隙率的表达式，d_p为组成多孔介质的微粒尺寸；

因此，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，两相流体系统应满足：

由于d_p≤d，即若则必然使得因此，特征参数d应满足：

综上，若要忽略重力对两相流体系统内对流换热的影响，航天器气液两相流体系统的特征参数d应当满足公式(10)或公式(13)；

(4)若是以上三种情况中的任两种组合时：

在地面试验过程中，若要实现两相流体系统整个工作区间的重力无关设计，抑制重力引起的浮力对流的影响，其特征参数应同时满足其对应情况的重力无关条件，即同时满足其对应情况的公式(7)、公式(9)、公式(10)或公式(13)的交集，该交集作为准则对空间两相流体系统的特征参数进行设计。

2.如权利要求1所述的一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，其特征在于，根据第二步的分析过程，扩展到g_m＝0g～1g的重力条件下，分析浮力、表面张力、惯性力、重力(浮力)、温度变化引起的浮力与黏性力对两相流体的影响，并计算得到特征参数d_m的取值范围；分析及计算过程如下：

(1)有强制对流的情况，在g_m＝0g～1g的重力条件下，若要忽略当前重力条件对两相流体系统内对流换热的影响，特征参数d_m应满足：

(2)有强制对流和毛细力共同作用的情况，在g_m＝0g～1g的重力条件下，若要忽略当前重力条件对两相流体系统内对流换热的影响，特征参数d_m应满足：

(3)无自由流动界面的Rayleigh-Bénard对流的情况，在g_m＝0g～1g的重力条件下，若要忽略当前重力条件对两相流体系统内对流换热的影响，特征参数d_m应满足：

(4)若是以上三种情况中的任两种组合时：

在g_m＝0g～1g的重力条件下试验过程中，若要实现两相流体系统整个工作区间的当前重力无关设计，其特征参数应同时满足其对应情况的重力无关条件，即同时满足其对应情况的公式(16)、公式(17)、公式(18)的交集，该交集作为准则对空间两相流体系统的特征参数进行设计。

3.如权利要求2所述的一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，其特征在于，分析在地面重力g条件下计算得到的特征参数d与在重力g_m条件下计算得到的特征参数d_m的关系，分析过程如下：

由可知

由可知

由可知

或由

可知，

因此，在0g<g_m<1g重力环境下，根据不同的三种单独的工作模式，若要忽略重力影响的两相流体系统的特征参数的取值上限可分别对应为地球重力g环境的倍、倍、倍。

4.如权利要求1所述的一种可抑制重力影响的两相流体系统的特征参数设计方法，其特征在于，对于航天器气液两相流体系统，在公式(8)的有效的判定准则为：