微重力条件下固液相变过程空穴移动特性研究

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1、第31卷第1期航天器环境工程vol_31．No．12014年2月SPACECRAFTENvIRONMENTENGINEERING3lhttp：／／州nⅣ_bisee．ac．cnE-mail：htqhjgc@126．comTel：(0lO)68116407，68116408，68116544微重力条件下固液相变过程空穴移动特性研究菅鲁京，霍玉华，苗建印，孙萌(空间热控技术北京市重点实验室，北京100094)摘要：为了解微重力条件下固液相变传热过程中空穴的移动特性，建立了一种基于温度排序算法的空穴模型，研究了空穴在不同初始位置的移动过程。结果表明，不同初始位置的空穴均沿着热流的

2、反方向移动，在相同热边界条件下空穴的最终位置与初始位置无关。关键词：微重力；固液相变；空穴；移动特性；仿真分析中图分类号：TKl24文献标志码：A文章编号：1673—1379(2014)0卜003卜06DoI：10．3969组issn．1673-1379．2014．01．006VbidmigratiOncharacteristicsduringsOⅡd—UquidphasechangeprOcessundermicrograVi够conditionJianLujing，HuoYuhua，MiaoJiaJlyin，SunMeng(BeijingKeyLaboratoD，ofS

3、paceTIle册alcon仃0lTecllIlolo烈Beijing100094，China)Abstract：IIlordertostudytheVoidmi目ationcharacteristicsd嘶ngthesolid-liquidphasechangeheat仃ansferprocessuIlderthemicm乒aV时condition，thevoidmodelbasedonatemperatIlresortingalgorithrnisbuih她dmevoidmigrationpmcessatdiffbrentinitialpositionsisstudie

4、d．ItisshownthatthevoidatdifI’erentinitialpositionsmovestomeoppositedirectionoftlleheatflow．ThefinalpositionoftheVoidisnotrelatedwiththeinitialpositionwhenthetllemalbollIldaD，conditionisthes锄e．1(eywords：micro伊avity；solid·liquidphasechaIlge；void；migmtionchamcteristics；simulation粕alysisO引言固液相

5、变材料(以下简称相变材料)在相变过程中体积会发生变化，导致相变装置内不可避免地产生空穴。空穴的产生使相变装置内相变材料分布不均匀，局部传热热阻和热应力增大，直接影响相变装置的性能和使用寿命。因此，了解空穴移动特性对相变装置的应用有重要意义。在地面条件下，受重力作用，空穴通常出现在相变装置的顶部或较晚出现在凝固区域附近。Revankar掣1】研究了地面条件下不同形状容器内相变材料凝固时空穴的分布：在球状容器内空穴竖直分布在容器中心线附近，呈结晶状；在长方体容器内，空穴分布在顶部两侧；在环状容器内空穴则分布在顶部。而对于应用在空间的相变装置，在微重力条件下，空穴的分布规律十分复

6、杂，空穴的收稿日期：2013．10．16；修回日期：2014．01．13移动主要受表面张力的作用，同时还与液相相变材料与固体表面的浸润特性、相变装置的宏观运动、相变材料是否含有杂质等因素有关。目前尚无完善的数学模型可以预测空穴的生成、移动及消失过程，研究仅限于简化的计算模型。sokolov掣2】研究了空间太阳能热动力系统中相变蓄热器的传热过程，指出空穴的存在易导致“热斑”和“热松脱”现象，并建立了一种空穴体积可以随时间进行调整的空穴模型一一当相变材料发生熔化／凝固时，在相变材料与空穴的界面处计算加入／减去的体积并调整空穴的大小。但文中未给出空穴体积调整的详细计算过程。邢玉明

7、等【3J建立了模拟控制体单元内空穴形成、生长及消失过程的模型，研究了微重力条件下相变蓄热器内空穴的分布规律，结果表明，空穴产生的位置与热边界条件有一定关32航天器环境工程第3l卷系，温度分布和空穴分布相互影响。徐伟强等【4J对蓄热容器内相变材料的凝固过程进行了仿真研究，比较了忽略空穴、空穴分布在环形蓄热器周边、根据温度分布先调整空穴形状再进行计算3种情况下相变过程的差异，结果表明根据温度分布调整空穴形状再进行计算得到的结果跟实际最接近。本文在现有文献对微重力条件下相变装置中空穴分布规律研究的基础上，建立了可以动态反