TOPAZ-Ⅱ熱管輻射器性能影響因素研究

馮瀟 王傲 葛攀和 胡古 趙守智

摘 ? 要：本文對TOPAZ-Ⅱ改進型熱管輻射器建立了一套整體的計算模型，包括角系數計算模型、熱管傳熱模型、翅片導熱模型以及集流環(huán)壓降和傳熱模型。研究了角系數分布、進口溫度、進出口接管對數、流量和翅片厚度對輻射器性能的影響。研究表明，橫向角系數分布對輻射器性能影響明顯。在600-1100K溫度范圍內，進口溫度的升高使得溫度不均勻性增加，當進口溫度取820K基本滿足設計要求，另外增加進出口接管數目可以顯著降低流阻，但對輻射器的功率基本無影響。所研究的輻射器在流量為1.5kg/s，進出口接管對數取3，翅片厚度為0.14 mm具有較佳的性能。

關鍵詞：TOPAZ-Ⅱ ?空間堆 ?輻射器 ?優(yōu)化設計 ?高溫熱管

中圖分類號：TL339 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0063-05

Abstract：In this paper， an overall calculation model is established for the improved heat pipe radiator of TOPAZ-Ⅱ， including the angle factor calculation model， the heat transfer model in the heat pipe， the heat conduction model of the fins， the pressure drop and heat transfer model in the collector ring. The effects of angle factor distribution， inlet temperature， the number of inlet and outlet adapter， flow rate and fin thickness on the performance of the radiator were studied. It has shown that the lateral angle factor distribution has a significant impact on the performance of the radiator. With in the range from 600 to 1100 K， the higher inlet temperature increases the temperature non-uniformity. When the inlet temperature is 820K， it basically meets the design requirements. Increasing the number of inlet and outlet adapter can significantly reduce the flow resistance， but has little effect on the power of the radiator. The radiator studied has better performance when the flow rate is 1.5 kg/s， the number of the inlet and outlet nozzles is 3， and the fin thickness is 0.14 mm.

Key Words：TOPAZ-Ⅱ;Space reactor;Radiator;Heat pipe;Optimal design

熱管輻射器具有較好的抗單點失效和散熱性能，因此被廣泛使用在空間熱管理領域，如空間核反應堆系統(tǒng)以及太陽探測器等[1]。TOPAZ-Ⅱ改進型輻射器[2]同樣采用這種類型的輻射器，其散熱性能將影響整個系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此需要對整個輻射器進行較為精確的分析和計算。另外，鑒于空間發(fā)射活動的高昂成本以及空間堆復雜的管路設計，因此必須對輻射器性能影響因素進行必要的分析，來提高輻射器散熱功率，同時減少輻射器質量和流阻。目前，國內已經研究熱管式輻射器的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)行為[2-4]，但是這些模型相對粗糙，因此需要建立較為精細的模型來完成上述目標。

為了精確計算熱管輻射器熱工性能，本文首先采用控制容積法和熱阻網絡法分別對翅片和熱管建模，并將角系數計算的問題轉換成粒子輸運的計算問題。利用上述模型和計算結果研究了角系數分布、入口溫度、進出口接管對數、流量、翅片厚度等因素對輻射器性能影響。

1 ?計算模型

1.1 物理模型

所分析的輻射器結構如圖1所示，主要由進出口接管、集流環(huán)、熱管以及翅片所構成。表1為TOPAZ-Ⅱ輻射器部分結構參數。

1.2 數學模型

1.2.1 角系數計算模型

輻射器散熱主要由三個部分組成，即外表面的輻射散熱、內表面向輻射器大、小端面的輻射散熱。而輻射換熱中關鍵在于角系數的計算，采用一般的解析方法難以實施。MonteCarlo方法相較于解析方法具有魯棒性強的特點，而這種方法關鍵在于找到描述光子運動方向的函數[5]。

其中dA微元發(fā)射表面面積;θ，分別為極角、方位角;I定向輻射強度;dΦ、dn分別為微元面向單位立體角內輻射的能量和光子數目;Φ，n分別表示微元面上半球空間內總的輻射能和光子數目;

因此可以假設光子的運動方向的極角符合均勻分布，方位角分布函數為：。

1.2.2 翅片計算模型

其Q為內熱源項;T為翅片溫度;Tsec為翅片微元體溫度;Tinner為熱管外表面溫度;T0為背景輻射溫度;x、y為分別為微元體的橫、縱坐標值;d為翅片厚度;d0為熱管外徑;Asec為翅片微元體面積;λ為翅片的導熱系數;fin、fout分別為翅片內、外表面的角系數;分別為翅片內、外翅片表面的表面發(fā)射率。

1.2.3 熱管計算模型

根據熱阻網絡理論，熱管內的傳熱過程可以等效為11個熱阻[7]，如圖3所示，現分別介紹如下：

為研究沿熱管長度方向上不同位置點處溫度對整個輻射器散熱性能的影響，需要對整個熱管沿長度方向上進行節(jié)點劃分，得到如圖4所示的熱阻網絡。

將上述的熱阻網絡等效為電阻網絡，通過求解電阻網絡的電流和電壓即可得到對應各個節(jié)點處的熱流和溫度值。

1.2.4 集流環(huán)計算模型

集流環(huán)內冷卻劑沖刷熱管換熱模型可以分別近似地當做均勻壁溫邊界條件下橫掠管束問題，Cess和Grosh基于無粘性位勢流模型[8]，導出理論方程為：

其中：ΔP1為突擴或者突縮產生壓降;ΔP2為集流環(huán)內壓力損失;為形阻系數;u為流速;分別代表進、出口的面積。Cf為修正系數;n為熱管根數。

2 ?計算結果

（1）使用MCNP程序對輻射器進行角系數模擬計算，結果如圖5所示。可見由于熱管與翅片之間的相互遮擋使得輻射器內表面向大端以及小端輻射的角系數沿翅片的橫向和縱向變化十分明顯，橫向和縱向最大的變化幅度均約為0.6。輻射器外表面的角系數在翅片橫向方向上變化明顯，但沿長度方向上基本保持不變，橫向最大的變化幅度約為0.3。

在進口溫度取820K時，考慮橫向角系數分布對功率的影響，結果如圖6所示。

由于考慮角系數橫向分布時，內表面角系數顯著減小，使得輻射器的內表面向外輻射功率顯著降低。經統(tǒng)計，當考慮橫向角系數分布的影響后，總功率由原來的140.615kW變?yōu)?17.153kW，功率下降幅度達16.7%。

（2）將上述角系數的計算結果帶入到程序中，研究進口溫度對輻射器性能影響，結果如圖7所示。

從上圖中不難發(fā)現，在600～1100K溫度范圍內，當進口溫度在820K左右時，輻射器功率基本滿足額定功率的要求。另外從圖中可以看出隨著進口溫度提高，平均輻射溫度與進口溫度差值反而增大，這說明輻射器進口溫度提升使得散熱能力增加，導致了翅片溫度分布不均勻性增加，因此進口溫度提升并不能同等幅度提升功率。

（3）假設其他變量不變，研究進出口接管對數和流量對輻射器性能影響，結果如圖8所示。

從圖中可以看出不同的進出口接管對數對輻射器總體的輻射功率基本無影響，但是增加進出口對數可以顯著降低了集流環(huán)內的流速，從而降低輻射器內的流阻。另外從圖中也可以看出當流量值大于2kg/s之后，功率隨流量的提升并不明顯，同時當流量小于1.5kg/s時，流量每變化0.1kg/s時，功率變化超過810W，變化較為劇烈，因此為了保證系統(tǒng)具有較好的調節(jié)性能，建議總的流量值選定在1.5～2kg/s。

（4）為了盡可能減少流阻，取流量值為1.5kg/s，進出口接管數對數取3，考慮不同翅片厚度對輻射器性能影響，結果如圖9所示。

由于翅片厚度增加，在同樣的橫向溫度梯度下，翅片的輻射散熱能力增強，但是翅片厚度增加會導致輻射器質量增大，因此存在一個最佳的厚度值使得功率質量比值最大，從圖中可以看出最佳的厚度約為0.14mm。

3 ?結語

本文對錐型熱管輻射器整體建模，分析了橫向角系數、進口溫度、進出口接管對數、流量以及翅片厚度對輻射器性能的影響，得到如下結論：

（1）在輻射器熱工計算時，橫向角系數分布對輻射器功率有著十分顯著的影響，因此計算時不能忽略這一影響因素。

（2）在600-1100K溫度范圍內，當進口溫度增加時，導致輻射器整體的溫度不均勻性增大，使得進口溫度提升并不能同等幅度提升功率。當進口溫度取820K時，輻射器輻射功率滿足設計要求。

（3）輻射器進出口接管對數對輻射器功率的影響可以忽略不計，但是增加進出口接管的對數可以顯著降低流阻。

（4）當流量值取在1.5～2.0kg/s，對于所研究輻射器具有較好的調節(jié)性能，為了盡可能降低流阻流量值取1.5kg/s，進口接管對數取3，進口溫度為820K時，翅片取0.14mm時可以使輻射器的功率質量比達到最大值。

參考文獻

[1] 蘇著亭，楊繼材，柯國土.空間核動力[M].上海：上海交通大學出版社，2016.

[2] 張文文，陳靜，田文喜，等.TOPAZ-Ⅱ空間電源系統(tǒng)輻射器改進研究[J].原子能科學技術，2016，50（8）： 1402-1409.

[3] 劉逍，張文文，王成龍，等.空間堆輻射散熱器設計分析[J].原子能科學技術，2018，52（5）：788-794.

[4] 王成龍，宋健，陳靜，等.TOPAZ-Ⅱ改進型熱管輻射換熱器傳熱單元數值研究[J].原子能科學技術，2016，50（1）： 80-85.

[5] 邱義芬，陳擁華，袁修干，等.艙外航天服的軌道空間外熱流計算方法[J].航空學報，2004（3）：221-224.

[6] 陶文銓.數值傳熱學[M].2版.西安：西安交通大學出版社，2001.

[7] Bahman Zohuri. Heat Pipe Design and Technology[M]. 2rd ed.Heidelberg： Springer Nature，2016.

[8] 重慶大學熱管科研組.熱管基礎及其應用[M].重慶：科學技術文獻出版社，1977.