[发明专利]空间气液两相热传输系统的重力无关性设计方法

说明书

本发明涉及航天器热控技术领域，尤其是空间气液两相热传输系统的重力无关性设计方法。空间气液两相流动传热系统在设计时，缺少有效的微重力环境实验数据支撑，限制了空间气液两相热传输系统的可靠性。本发明提出一种空间气液两相热传输系统的重力无关性设计方法，采用基于主导作用力模型的重力无关性准则(包括Bond数主导作用力模型和Froude数主导作用力模型)，根据空间气液两相热传输系统的散热需求进行重力无关性预先设计与分析，在工质选择、系统/局部热负荷要求等约束下，确定两相流动管段重力无关的临界直径。从而减小空间气液两相热传输系统地面模拟测试和空间应用的性能差异，以避免天地差异造成的系统设计可靠性和运行稳定性问题。

技术领域

本发明涉及航天器热控技术领域，尤其是空间气液两相热传输系统的重力无关性设计方法。

背景技术

气液两相传热是同时利用工质显热和潜热的一种高效强化传热技术，不仅能获得数倍于单相换热体系的传热性能增强，同时还可有效降低热控系统的质量，因此，是航天器热控中的重要技术之一。

在空间应用两相热传输系统所面对的关键性环境参数中，重力是一个至关重要的因素。由于气、液两相介质往往存在巨大的密度差异(如水和空气密度比可高达1000倍)，重力的存在会导致强烈的浮力作用，引起的相间分离和相间滑移等效应显著影响着两相流系统中的流动结构，进而又影响着流动的其他特性(如摩擦压降、传热性能以及系统整体稳定性等)。因此，气液两相流动与传热现象中的重力效应问题对空间气液两相热传输系统有着至关重要的意义。

空间用两相流系统在研制、测试、发射、在轨飞行、地外行星表面着陆或返回地球等全寿命期间，会经历常重力(地面)、超重力(加速过载)、微重力(在轨自由飞行)和部分重力(如月球表面g/6、火星表面g/3)等复杂的重力环境。然而，由于实验条件的限制，往往难以实现有效的重力环境模拟，特别是微重力环境。现有的微重力落塔、失重飞机和探空火箭等微重力环境模拟技术，可获得的微重力时间在秒到分钟量级，显然在这样的时间内通常难以获得有效的微重力两相流动与传热实验数据(实验过程中残余重力会影响测量参数的准确性)。

此外，以上实验通常需要高昂的实验费用。这就导致空间气液两相流动传热系统在设计时，缺少有效的微重力环境实验数据支撑，只能借鉴地面常重力实验数据进行评估和预测，从而限制了空间气液两相热传输系统的可靠性。

事实上，通过合理的结构参数和系统布局设计可有效规避重力效应，使两相系统流动和传热达到重力无关的效果，这为两相流动与传热系统设计提供了新的思路，为空间气液两相热传输系统研制和性能检测等进行地面模拟实验提供了可能性。

发明内容

本发明正是基于上述考虑，提出一种空间气液两相热传输系统的重力无关性设计方法，确定两相热传输系统两相段部件的内流道尺寸上限值，从而减小空间气液两相热传输系统在地面模拟测试和空间应用的性能差异，进一步结合两相热传输系统的重力无关性布局，以避免天地差异造成的系统设计可靠性和运行稳定性问题。

本发明提供了一种空间气液两相热传输系统重力无关性设计方法，该方法包括以下步骤：

S1：建立两相流动结构中的主导作用力模型并确定重力无关性Bond数临界值和气相表观Froude数临界值

其中主导作用力模型为：

ρL是液相密度，ρG是气相密度，g是重力加速度，σ是表面张力，U_SG是气相表观流速，D₁和D₂是管道重力无关直径；Bo_cr是重力无关性Bond数临界值，Fr_SG,cr是气相表观Froude数临界值，Bo_cr与Fr_SG,cr根据试验确定；