泵驅動兩相流體回路流量漂移現象的實驗研究

劉長鑫，張濟民，徐 濤，王 濤，趙小翔，曹建光

(上海衛星工程研究所,上海 201109)

泵驅動兩相流體回路流量漂移現象的實驗研究

劉長鑫，張濟民，徐 濤，王 濤，趙小翔，曹建光

(上海衛星工程研究所,上海 201109)

針對因機械泵驅動兩相流體回路(MPTL)特有的流量漂移現象導致的系統流量降低，使蒸發器出現蒸干的危險等問題，用實驗對一定熱負荷功率和初始流量下流量漂移現象進行了研究。設計了實驗裝置，選擇初始流量和熱負荷功率為實驗因素，在不同初始流量和熱負載功率的水平下，通過測量熱負荷開始加載時至系統達到熱平衡后的流量變化，并結合流量漂移過程各實驗參數變化曲線，研究了泵驅動兩相流體回路的流量漂移，進行了流量漂移實驗，分析了實驗因素對流量漂移的影響、流量漂移量與系統運行參數的關系，以及流量漂移中流型的變化。結果表明：在一定的熱負荷功率下，初始流量越小，歸一化流量漂移量越大；在一定的初始流量下，熱負荷功率越大，歸一化流量漂移量越大。實驗還給出了流量漂移量與蒸發器出口含氣率正相關的曲線，表明流量漂移量與系統阻力呈高度線性關系，并證明了流量漂移過程中系統管路中出現的流型變化。

兩相流體回路； 機械泵驅動； 流動不穩定性； 流量漂移； 系統流量； 系統阻力； 蒸發器出口含氣率； 流型

0 引言

機械泵驅動兩相流體回路(MPTL)是一種以機械泵提供驅動力，利用兩相工質在循環流動中的蒸發吸熱和冷凝放熱，收集、傳輸、排散熱量，并進行溫度控制的熱控系統[1]。其特點是泵功耗低、熱量傳輸能力大、控溫精準、溫度一致性好，能適應復雜分布式熱源布局和長距離、大熱量傳輸與排散需求，是目前航天領域中先進的主動熱控技術之一[2]。MPTL作為典型的兩相流動系統，會出現流動不穩定性。兩相流動的不穩定性是指在一個系統流量、系統壓降和含氣率存在熱力學與流體力學相互耦合的系統中，由于小的擾動引起的流量、壓降和含氣率的大幅振蕩[3]。流量漂移屬于典型的靜態流動不穩定現象，其特點是系統流量發生突然變化，通常是流量減少，而后穩定在新的水平。流量漂移現象可導致MPTL系統的實際流量與設計不符，使蒸發器出口含氣率增加或出現蒸干的可能，降低蒸發器局部換熱系數與系統的熱量傳輸效率，對系統運行帶來不利影響。流量漂移也被稱作Ledinegg不穩定性。LEDINEGG于1938年給出了穩定性準則，說明當系統內部流動特性曲線斜率大于外部流動特性曲線斜率時系統是穩定的[4]。兩相流動系統的內部特性曲線呈現出N型，存在流阻隨流量變化的負斜率區，對一定的兩相流體回路，當驅動泵的流動特性不滿足Ledinegg穩定性準則時，系統的內、外部特性曲線可能存在多個交點，使通道中的流量并非為壓降的單值函數，當系統存在擾動時，會出現流量的迅速變化，即流量漂移。

國內外對流量漂移現象進行了大量的理論和實驗研究，文獻[5]對窄矩形通道的流量漂移現象進行了實驗研究，實驗在一定熱流密度、入口過冷度、系統壓力等因素水平下，通過調節驅動泵轉速，獲得了系統阻力與流量的關系即內部特性曲線，同時研究了熱流密度、系統壓力和過冷度對流量漂移現象的影響。文獻[6]對自然循環的流量漂移現象進行了理論和實驗研究，給出了兩相自然循環系統靜態分岔解圖，獲得了不同系統壓力、入口阻力下的系統流量與加熱功率的關系曲線(q-G圖)，指出了兩相自然循環的遲滯現象，實驗是在一定系統壓力、入口阻力等因素水平下，通過改變加熱功率，得到了q-G圖與發生流量漂移時的流量動態變化曲線。本文針對MPTL系統，對其流量漂移現象進行實驗，研究了不同初始流量、熱負荷功率下，系統流量的動態變化過程；分析了初始流量和熱負荷功率對流量漂移量的影響，以確定歸一化流量漂移量與蒸發器出口含氣率、系統阻力和流型的關系，為機械泵驅動兩相流體回路系統的工程化應用提供基礎。

1 實驗裝置與實驗設計

1.1實驗裝置

本文以MPTL系統實驗平臺為基礎，進行MPTL系統的流量漂移實驗，實驗平臺工作原理如圖1所示。MPTL系統主要由組件箱、預熱器、蒸發器、輻射器、輔助換熱器和連接管路等組成。其中：組件箱集成了儲液器、驅動泵和回熱換熱器等重要部件；蒸發器為微小通道熱沉形式。實驗平臺用科氏力質量流量計測量系統流量，用壓力傳感器測量機械泵進出口和蒸發器進出口壓力，用T型熱電偶測量各測點溫度，用保溫棉和羊毛氈減小管路漏熱。系統內充裝R134a作為工質，20 ℃下飽和壓力571.7 kPa。系統中的三個蒸發器為熱負荷主要加載區域，工質在進入蒸發器前通過回熱換熱器和預熱器預熱到飽和溫度。溫度測點T5，T7，T9測量蒸發器外殼溫度；T6，T8，T10測量蒸發器出口管路溫度，因管路上無加熱元件，故測點更接近與內部工質的溫度。

圖1 實驗平臺工作原理Fig.1 Principle of experimental system working principle

1.2實驗設計

本文針對MPTL系統的流量漂移現象進行實驗，結合MPTL系統的應用背景和運行特點，實驗設計不同于常規，重點研究初始流量下從開始加載熱負荷，到系統發生流量漂移現象后重新達到流量穩定這一過程中系統流量、系統阻力和蒸發器內工質溫度的變化等各運行參數的動態變化，并計算出流量漂移量。影響流量漂移現象的因素很多，本文重點分析不同初始流量(熱負荷加載前系統流量)和不同熱負荷功率的影響。實驗中控制儲液器內工質溫度為20 ℃，調節輔助換熱器冷水進口溫度使機械泵入口溫度穩定在約13 ℃，保證機械泵有足夠的過冷度，環境溫度保持在約20 ℃。

實驗具體流程為：熱負荷加載前通過調節驅動泵轉速使系統流量達到指定水平，待系統流量穩定后，加載熱負荷并開始記錄數據；之后觀察蒸發器的過熱和流量漂移現象，待系統流量和重要運行參數重新穩定后，停止實驗記錄；改變工況進行下一組實驗。

實驗中初始流量和熱負荷功率設置水平分別見表1、2。其中：熱負荷功率為3個蒸發器的總加熱功率，并平均加載于3個蒸發器。實驗中，預熱器以恒定功率10 W對回熱換熱器出口的工質進行預熱，使工質流入蒸發器前達到飽和狀態。

表1 初始流量水平

表2 熱負荷功率預設水平

實際實驗中，熱負荷功率水平應根據情況進行調整，當出現熱負荷功率過高蒸發器燒干時，應減少過高的熱負荷水平實驗，增加一組更低的水平。同時，根據實驗結果，可適當增加功率水平使工況的改變更細致。

2 流量漂移機理與數學模型

2.1流量漂移機理

當系統流動特性曲線存在負斜率區時就可能出現流量漂移。一定熱負荷功率、系統壓力和蒸發器入口過冷度下兩相通道的內部流動特性曲線如圖2所示[7]。由圖2可知：阻力隨流量的變化并非單調關系，流量較小時，管路中主要為過熱蒸汽，曲線與過熱蒸汽的特性曲線相同；流量較大時，管路中基本為單相液體，曲線接近液體的特性曲線；在流量從大到小的變化中，由于沸騰的出現，氣泡生成和生長致使工質流速增大，導致阻力隨流量的減小而升高，并使曲線呈現N字型。這樣，對一定的驅動泵外部特性曲線(如工況3)，當系統流量發生微小擾動，由于負斜率區的影響，流量將進一步減小或增大，即發生流量漂移。

圖2 兩相通道內部流動特性曲線Fig.2 Two-phase pressure drop characteristic curve

2.2數學模型

在常規的流量漂移數學分析中，建立模型為長度L的均勻加熱圓管[3]。如圖3所示，工質在其內流動并逐漸被加熱，從過冷液體變為兩相工質再變為過熱蒸汽，最后從出口離開，由此可將管路分為液體、兩相工質和蒸汽三段，其長度分別為Ll，Lb，Lv。忽略管路中重位壓降和加速壓降，管路中的總壓降即為總的摩擦壓降可表示為

Δp=Δpf=Δpfl+Δpfb+Δpfv

(1)

式中：Δpfl，Δpfb，Δpfv分別為液體段、工質段和蒸汽段的摩擦壓降。

圖3 蒸發段管路示意Fig.3 Schematic of evaporation pipe

采用均相流模型，可得管路的總壓降

(2)

式中：

λb(i″-i′)(v″+v′)-λv(i″-ii)(v″+ve)]

(3)

(4)

C0=0

(5)

此處：λl，λb，λv分別為液體、兩相工質和蒸汽段的摩擦因數；i′，v′分別為飽和液體的焓與比熱容；i″，v″分別為飽和蒸汽的焓與比熱容；ii，vi分別為管路入口過冷液體的焓與比熱容；ve為管路出口過熱蒸汽的比熱容；q′為加熱管路的線功率密度。

若工質在蒸發管路中沒有蒸干，即只有液體段和兩相工質段，則管路的總壓降

(6)

式中：

(7)

(8)

(9)

此處：ifg為工質的蒸發潛熱。

式(2)、(6)均為三次方程，可能有實根3個，意味著在同一壓降水平對應了不同的系統流量，此時流動處于不穩定狀態，即會發生流量漂移。

3 實驗結果與分析

3.1流量漂移實驗

初始流量8.0 g/s，熱負荷功率200 W時，實驗所得從熱負荷開始加載到系統達到熱平衡的系統參數變化如圖4所示。由圖4可知：

a)135 s加載熱負荷，工質溫度逐漸升高直至產生過熱；在183 s工質迅速發生沸騰，可觀察到系統流量出現正脈沖，驅動泵進出口壓力也突然上升，這是因為蒸發器內氣泡的生成與生長推動下游工質加速流動；當沸騰現象逐漸穩定后，系統流量脈沖消失，但由于系統管路內出現了兩相流動，系統阻力逐漸提升，隨著系統阻力的提升，系統流量也逐漸減小，此時即發生流量漂移現象。

b)612 s當系統流量減小到約6.2 g/s時，流量計讀數出現較大波動，該波動過程持續至954 s。最終隨著系統流量的進一步減小，系統阻力、蒸發器溫度和系統流量穩定在另一水平。

圖4 初始流量8.0 g/s和熱負荷功率200 W時系統參數變化Fig.4 System parameters changing with initial flow rate 8.0 g/s and thermal load power 200 W

由于實驗各工況的初始流量不同，采用絕對的流量漂移量進行分析不具可比性，因此需用歸一化流量漂移量作為流量漂移程度的指標，有

(10)

3.2實驗因素對流量漂移的影響

由文獻可知，流量漂移與熱負荷功率的關系一般是流量漂移量隨功率增加而增大，內部流動特性曲線負斜率區會加長，流動穩定性變差。對本文的實驗工況，因熱負荷加載后蒸發器出口均為汽液兩相，都出現系統阻力提升和系統流量減小的情況，即全發生了流量漂移，但流量漂移的程度不同。

不同初始流量下，實驗所得歸一化流量漂移量與熱負荷功率的關系如圖5所示。由圖5可知：在相同初始流量下，隨著熱負荷功率的增加，流量漂移量增大，即穩態流量減小。其原因為：隨著熱負荷功率提升，蒸發器中氣泡的生成和生長的速度加快，兩相工質的相會作用加強，同時由于蒸發器出口含氣率的增大，兩相工質的平均密度減小，工質體積增大使其平均流速增加，蒸發器和輻射器管路內流阻的增大更明顯，流量漂移量也因此增大。

圖5 不同熱負荷功率下歸一化流量漂移量Fig.5 Normalized flow excursion with various heating power

歸一化流量漂移量與初始流量的關系如圖6所示。由圖6可知：在相同熱負荷下，隨著初始流量的減小，歸一化流量漂移量變大。這是因為在相同的熱負荷功率下，初始流量越小，驅動泵的輸出功率就越小，系統的外部特性曲線(驅動泵的特性曲線)越向下偏移，系統達到穩定后的流量減小，流量漂移量增大；同時初始流量越小，對一定的熱負荷功率，蒸發器的出口含氣率將越高，系統阻力的增大越明顯，使流量漂移量增大。

圖6 不同初始流量下歸一化流量漂移量Fig.6 Normalized flow excursion with various initial flow rate

3.3流量漂移量與系統運行參數的關系

由上述分析可知：流量漂移量可視作一定熱負荷功率和初始流量共同影響的結果。分析數據發現流量漂移量與其他的系統運行參數亦有明顯的函數關系，系統運行參數包括蒸發器出口含氣率與系統阻力。

不同加熱功率和初始流量下，蒸發器出口熱力學含氣率和歸一化流量漂移量的關系如圖7所示。由圖7可知：歸一化流量漂移量與蒸發器出口熱力學含氣率有較強的函數關系，隨著熱負荷功率的增加，流量漂移量與含氣率也逐漸增大，但初始流量的影響不明顯；當歸一化流量漂移量小于60%時，含氣率保持低于40%，且增長速度不明顯，當歸一化流量漂移量大于60%時，含氣率迅速增大，當蒸發器出口含氣率過高時，若系統流量受擾發生波動，則蒸發器極易出現蒸干。在實際應用中，針對不同初始流量，應控制熱負荷功率上限值，保證穩態時歸一化流量漂移量小于60%，避免發生因流量漂移量過大而發生的蒸發器蒸干。

圖7 不同歸一化流量漂移量下熱力學含氣率Fig.7 Thermodynamic quality with various normalized flow excursion

蒸發器出口熱力學含氣率可表示為

(11)

式中：Q為熱負荷功率。當系統達到熱平衡后，熱力學含氣率即為質量含氣率，若熱力學含氣率大于1，則工質狀態為過熱蒸汽，即蒸發器出口出現蒸干。

系統達到熱平衡后的工作點可由系統的內部流動曲線和外部流動特性曲線(驅動泵的特性曲線)的交點確定，其中系統阻力受熱負荷功率和初始流量的共同影響。在一定的初始流量下，系統阻力與歸一化流量漂移量的關系如圖8所示。由圖8可知：

a)在相同的初始流量下，歸一化流量漂移量越大，系統阻力越高，這是因為蒸發器功率的提升導致了工質出口的含氣率和平均流速提高，帶來了管路中更大的摩擦壓降，導致流量漂移量增大。在相同的歸一化流量漂移量下，初始流量越大，由流速增加帶來的系統阻力越大。

b)歸一化流量漂移量與系統阻力呈高度的線性關系，在空間環境中無流量計時，可通過測量系統阻力推算出系統穩態流量。

圖8 不同歸一化流量漂移量下系統阻力Fig.8 System pressure drop with various normalized flow excursion

3.4流量漂移中流型變化

流型即兩相流動介質的分布狀況，對兩相流動壓降和傳熱性能有重要影響，還會影響流動參數測量的準確性和系統運行的穩定性[8]。水平管內的流型一般有泡狀流、塞狀流、分層流、波狀流、彈狀流和環狀流，根據不同的含氣率和汽液兩相的速度，管內會出現不同的流型，水平管內流型如圖9所示。由圖9可知：不同流型的汽液界面連續性各異，如泡狀流、分層流和環狀流，其汽液兩相分布沿管路方向均勻性較高，可視為連續性流型，而如塞狀流、波狀流和彈狀流則可視為間斷性流型。流型不同會對系統流量和壓力的測量產生影響，不連續的流型會導致測量的波動性。

圖9 流型圖Fig.9 Schematic of flow pattern

通道直徑2 mm內的流型如圖10所示(實驗工質為液氮)[9]。由圖10可知：當工質質量含氣率大于0.2時，管內流型基本為環狀流。

圖10 通道直徑2 mm的流型圖Fig.10 Flow pattern map for 2 mm tube

輻射器管路為直徑4 mm圓管，流量計安裝在輻射器出口，當輻射器管路內存在不連續流型時，工質流過輻射器和輔助換熱器后，氣泡的間斷性湮滅會使流量計的測量出現波動。初始流量8.0 g/s，不同熱負荷功率下，蒸發器出口熱力學含氣率的瞬態變化如圖11所示。由圖11可知：在一定工況下，由于流量測量出現波動性，含氣率的計算值也具有波動性，而可發現含氣率發生較大波動的范圍均在0.25左右。如熱負荷功率200 W時，含氣率的計算值在591～915 s出現了較大波動；熱負荷功率175 W時，含氣率波動從594 s開始出現直至達到熱平衡。

圖11 初始流量8.0 g/s時不同熱負荷功率下蒸發器出口含氣率Fig.11 Evaporator outlet vapor quality with various heating power with initial flow rate 8.0 g/s

由此可說明：當熱負荷開啟并出現流量漂移現象后，系統流量逐漸下降，蒸發器出口含氣率逐漸上升，當含氣率降低至一定值時，系統管路中兩相工質的流型發生較大變化，由連續性的流型變化為間斷性的流型，導致了流量計測量的波動性，從而導致了含氣率計算的波動性；當流量漂移量進一步增大時，如在較高熱負荷功率(≥200 W)下系統流量漂移使蒸發器出口含氣率增高至0.25以上時，系統管路內的流型再次發生變化，轉變為環狀流這一連續性流型，使流量計測量的波動性消失。

4 結束語

本文針對基于微小通道熱沉的泵驅動兩相流體回路系統，進行了兩相流體回路的流量漂移實驗，研究了初始流量和熱負荷功率對流量漂移量的影響，以確定歸一化流量漂移量與蒸發器出口含氣率、系統阻力和流型的關系。結果如下：熱負荷功率越大，初始流量越低，歸一化流量漂移量越大；歸一化流量漂移量與蒸發器出口熱力學含氣率呈正相關關系，當漂移量大于60%時，含氣率隨漂移量的增長顯著；同一初始流量下，流量漂移量越大，系統阻力越大，且系統阻力與歸一化流量漂移量存在較強的線性關系；在發生流量漂移的過程中，會出現流型的變化，產生系統流量測量的波動。流量漂移會降低系統流量，并使蒸發器出現蒸干的可能。通過本文的研究，可確定系統在一定熱負荷功率下應提供的系統流量，即確定熱負荷加載前的初始流量，以彌補源于流量漂移的流量降低。本文研究了流量漂移量與含氣率、系統阻力和流型的關系，給出了系統各參數的聯系，加深流量漂移過程中系統整體特性變化的認識。流量漂移現象只是兩相流動不穩定性中靜態流動不穩定性的一個內容，兩相流動不穩定性還包括密度波型脈動、流型變遷不穩定性、平行通道的關鍵脈動等。這些不穩定性均會對系統運行產生影響，研究這些不穩定性的形成原理和抑制措施是非常有必要的。此外，對微小通道熱沉內部自身的流動不穩定性是否對系統穩定運行產生影響，也是后續研究的內容。

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ExperimentalResearchonFlowExcursionofMechanicallyPumpedTwo-PhaseLoop

LIUChang-xin，ZHANGJi-min，XUTao，WANGTao，ZHAOXiao-xiang，CAOJian-guang

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai201109, China)

To solve the problems of flow rate reducing and evaporator dryout caused by flow excursion of mechanically pumped two-phase loop (MPTL), the flow excursion under certain heating power and initial flow rate was researched by experiment in this paper. The experiment device was designed. The initial flow rate and heating power were selected as the factors in the experiment. The flow excursion of MPTL and flow pattern changes in flow excursion were studied by measuring the flow changes from heat loading to system thermal balance under various initial flow rate and heating power levels, in which the different parameter changes in flow excursion were in consideration. The result showed that the less the initial flow rate and the higher the heat load power, the more the normalized degree of flow excursion. A positive relationship between normalized degree of flow excursion and vapor quality and a highly linear relationship between flow excursion and system pressure drop were given. Change of the flow pattern during flow excursion was proved.

two phase loop; mechanically pumped; hydrodynamic instability; flow excursion; system flow rate; system pressure drop; evaporator outlet vapor quality; flow pattern

1006-1630(2017)04-0125-08

2016-09-25；

：2016-12-26

國家自然科學基金資助(51506131，51406122)

劉長鑫(1991—)，男，碩士生，主要研究方向為兩相流體回路熱控技術。

張濟民(1985—)，男，博士，主要研究方向為航天器熱控制技術。

TK124

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.015