泵驱动两相流体回路流量漂移现象的实验研究

刘长鑫，张济民，徐 涛，王 涛，赵小翔，曹建光

(上海卫星工程研究所,上海 201109)

泵驱动两相流体回路流量漂移现象的实验研究

刘长鑫，张济民，徐 涛，王 涛，赵小翔，曹建光

(上海卫星工程研究所,上海 201109)

针对因机械泵驱动两相流体回路(MPTL)特有的流量漂移现象导致的系统流量降低，使蒸发器出现蒸干的危险等问题，用实验对一定热负荷功率和初始流量下流量漂移现象进行了研究。设计了实验装置，选择初始流量和热负荷功率为实验因素，在不同初始流量和热负载功率的水平下，通过测量热负荷开始加载时至系统达到热平衡后的流量变化，并结合流量漂移过程各实验参数变化曲线，研究了泵驱动两相流体回路的流量漂移，进行了流量漂移实验，分析了实验因素对流量漂移的影响、流量漂移量与系统运行参数的关系，以及流量漂移中流型的变化。结果表明：在一定的热负荷功率下，初始流量越小，归一化流量漂移量越大；在一定的初始流量下，热负荷功率越大，归一化流量漂移量越大。实验还给出了流量漂移量与蒸发器出口含气率正相关的曲线，表明流量漂移量与系统阻力呈高度线性关系，并证明了流量漂移过程中系统管路中出现的流型变化。

两相流体回路； 机械泵驱动； 流动不稳定性； 流量漂移； 系统流量； 系统阻力； 蒸发器出口含气率； 流型

0 引言

机械泵驱动两相流体回路(MPTL)是一种以机械泵提供驱动力，利用两相工质在循环流动中的蒸发吸热和冷凝放热，收集、传输、排散热量，并进行温度控制的热控系统[1]。其特点是泵功耗低、热量传输能力大、控温精准、温度一致性好，能适应复杂分布式热源布局和长距离、大热量传输与排散需求，是目前航天领域中先进的主动热控技术之一[2]。MPTL作为典型的两相流动系统，会出现流动不稳定性。两相流动的不稳定性是指在一个系统流量、系统压降和含气率存在热力学与流体力学相互耦合的系统中，由于小的扰动引起的流量、压降和含气率的大幅振荡[3]。流量漂移属于典型的静态流动不稳定现象，其特点是系统流量发生突然变化，通常是流量减少，而后稳定在新的水平。流量漂移现象可导致MPTL系统的实际流量与设计不符，使蒸发器出口含气率增加或出现蒸干的可能，降低蒸发器局部换热系数与系统的热量传输效率，对系统运行带来不利影响。流量漂移也被称作Ledinegg不稳定性。LEDINEGG于1938年给出了稳定性准则，说明当系统内部流动特性曲线斜率大于外部流动特性曲线斜率时系统是稳定的[4]。两相流动系统的内部特性曲线呈现出N型，存在流阻随流量变化的负斜率区，对一定的两相流体回路，当驱动泵的流动特性不满足Ledinegg稳定性准则时，系统的内、外部特性曲线可能存在多个交点，使通道中的流量并非为压降的单值函数，当系统存在扰动时，会出现流量的迅速变化，即流量漂移。

国内外对流量漂移现象进行了大量的理论和实验研究，文献[5]对窄矩形通道的流量漂移现象进行了实验研究，实验在一定热流密度、入口过冷度、系统压力等因素水平下，通过调节驱动泵转速，获得了系统阻力与流量的关系即内部特性曲线，同时研究了热流密度、系统压力和过冷度对流量漂移现象的影响。文献[6]对自然循环的流量漂移现象进行了理论和实验研究，给出了两相自然循环系统静态分岔解图，获得了不同系统压力、入口阻力下的系统流量与加热功率的关系曲线(q-G图)，指出了两相自然循环的迟滞现象，实验是在一定系统压力、入口阻力等因素水平下，通过改变加热功率，得到了q-G图与发生流量漂移时的流量动态变化曲线。本文针对MPTL系统，对其流量漂移现象进行实验，研究了不同初始流量、热负荷功率下，系统流量的动态变化过程；分析了初始流量和热负荷功率对流量漂移量的影响，以确定归一化流量漂移量与蒸发器出口含气率、系统阻力和流型的关系，为机械泵驱动两相流体回路系统的工程化应用提供基础。

1 实验装置与实验设计

1.1实验装置

本文以MPTL系统实验平台为基础，进行MPTL系统的流量漂移实验，实验平台工作原理如图1所示。MPTL系统主要由组件箱、预热器、蒸发器、辐射器、辅助换热器和连接管路等组成。其中：组件箱集成了储液器、驱动泵和回热换热器等重要部件；蒸发器为微小通道热沉形式。实验平台用科氏力质量流量计测量系统流量，用压力传感器测量机械泵进出口和蒸发器进出口压力，用T型热电偶测量各测点温度，用保温棉和羊毛毡减小管路漏热。系统内充装R134a作为工质，20 ℃下饱和压力571.7 kPa。系统中的三个蒸发器为热负荷主要加载区域，工质在进入蒸发器前通过回热换热器和预热器预热到饱和温度。温度测点T5，T7，T9测量蒸发器外壳温度；T6，T8，T10测量蒸发器出口管路温度，因管路上无加热元件，故测点更接近与内部工质的温度。

图1 实验平台工作原理Fig.1 Principle of experimental system working principle

1.2实验设计

本文针对MPTL系统的流量漂移现象进行实验，结合MPTL系统的应用背景和运行特点，实验设计不同于常规，重点研究初始流量下从开始加载热负荷，到系统发生流量漂移现象后重新达到流量稳定这一过程中系统流量、系统阻力和蒸发器内工质温度的变化等各运行参数的动态变化，并计算出流量漂移量。影响流量漂移现象的因素很多，本文重点分析不同初始流量(热负荷加载前系统流量)和不同热负荷功率的影响。实验中控制储液器内工质温度为20 ℃，调节辅助换热器冷水进口温度使机械泵入口温度稳定在约13 ℃，保证机械泵有足够的过冷度，环境温度保持在约20 ℃。

实验具体流程为：热负荷加载前通过调节驱动泵转速使系统流量达到指定水平，待系统流量稳定后，加载热负荷并开始记录数据；之后观察蒸发器的过热和流量漂移现象，待系统流量和重要运行参数重新稳定后，停止实验记录；改变工况进行下一组实验。

实验中初始流量和热负荷功率设置水平分别见表1、2。其中：热负荷功率为3个蒸发器的总加热功率，并平均加载于3个蒸发器。实验中，预热器以恒定功率10 W对回热换热器出口的工质进行预热，使工质流入蒸发器前达到饱和状态。

表1 初始流量水平

表2 热负荷功率预设水平

实际实验中，热负荷功率水平应根据情况进行调整，当出现热负荷功率过高蒸发器烧干时，应减少过高的热负荷水平实验，增加一组更低的水平。同时，根据实验结果，可适当增加功率水平使工况的改变更细致。

2 流量漂移机理与数学模型

2.1流量漂移机理

当系统流动特性曲线存在负斜率区时就可能出现流量漂移。一定热负荷功率、系统压力和蒸发器入口过冷度下两相通道的内部流动特性曲线如图2所示[7]。由图2可知：阻力随流量的变化并非单调关系，流量较小时，管路中主要为过热蒸汽，曲线与过热蒸汽的特性曲线相同；流量较大时，管路中基本为单相液体，曲线接近液体的特性曲线；在流量从大到小的变化中，由于沸腾的出现，气泡生成和生长致使工质流速增大，导致阻力随流量的减小而升高，并使曲线呈现N字型。这样，对一定的驱动泵外部特性曲线(如工况3)，当系统流量发生微小扰动，由于负斜率区的影响，流量将进一步减小或增大，即发生流量漂移。

图2 两相通道内部流动特性曲线Fig.2 Two-phase pressure drop characteristic curve

2.2数学模型

在常规的流量漂移数学分析中，建立模型为长度L的均匀加热圆管[3]。如图3所示，工质在其内流动并逐渐被加热，从过冷液体变为两相工质再变为过热蒸汽，最后从出口离开，由此可将管路分为液体、两相工质和蒸汽三段，其长度分别为Ll，Lb，Lv。忽略管路中重位压降和加速压降，管路中的总压降即为总的摩擦压降可表示为

Δp=Δpf=Δpfl+Δpfb+Δpfv

(1)

式中：Δpfl，Δpfb，Δpfv分别为液体段、工质段和蒸汽段的摩擦压降。

图3 蒸发段管路示意Fig.3 Schematic of evaporation pipe

采用均相流模型，可得管路的总压降

(2)

式中：

λb(i″-i′)(v″+v′)-λv(i″-ii)(v″+ve)]

(3)

(4)

C0=0

(5)

此处：λl，λb，λv分别为液体、两相工质和蒸汽段的摩擦因数；i′，v′分别为饱和液体的焓与比热容；i″，v″分别为饱和蒸汽的焓与比热容；ii，vi分别为管路入口过冷液体的焓与比热容；ve为管路出口过热蒸汽的比热容；q′为加热管路的线功率密度。

若工质在蒸发管路中没有蒸干，即只有液体段和两相工质段，则管路的总压降

(6)

式中：

(7)

(8)

(9)

此处：ifg为工质的蒸发潜热。

式(2)、(6)均为三次方程，可能有实根3个，意味着在同一压降水平对应了不同的系统流量，此时流动处于不稳定状态，即会发生流量漂移。

3 实验结果与分析

3.1流量漂移实验

初始流量8.0 g/s，热负荷功率200 W时，实验所得从热负荷开始加载到系统达到热平衡的系统参数变化如图4所示。由图4可知：

a)135 s加载热负荷，工质温度逐渐升高直至产生过热；在183 s工质迅速发生沸腾，可观察到系统流量出现正脉冲，驱动泵进出口压力也突然上升，这是因为蒸发器内气泡的生成与生长推动下游工质加速流动；当沸腾现象逐渐稳定后，系统流量脉冲消失，但由于系统管路内出现了两相流动，系统阻力逐渐提升，随着系统阻力的提升，系统流量也逐渐减小，此时即发生流量漂移现象。

b)612 s当系统流量减小到约6.2 g/s时，流量计读数出现较大波动，该波动过程持续至954 s。最终随着系统流量的进一步减小，系统阻力、蒸发器温度和系统流量稳定在另一水平。

图4 初始流量8.0 g/s和热负荷功率200 W时系统参数变化Fig.4 System parameters changing with initial flow rate 8.0 g/s and thermal load power 200 W

由于实验各工况的初始流量不同，采用绝对的流量漂移量进行分析不具可比性，因此需用归一化流量漂移量作为流量漂移程度的指标，有

(10)

3.2实验因素对流量漂移的影响

由文献可知，流量漂移与热负荷功率的关系一般是流量漂移量随功率增加而增大，内部流动特性曲线负斜率区会加长，流动稳定性变差。对本文的实验工况，因热负荷加载后蒸发器出口均为汽液两相，都出现系统阻力提升和系统流量减小的情况，即全发生了流量漂移，但流量漂移的程度不同。

不同初始流量下，实验所得归一化流量漂移量与热负荷功率的关系如图5所示。由图5可知：在相同初始流量下，随着热负荷功率的增加，流量漂移量增大，即稳态流量减小。其原因为：随着热负荷功率提升，蒸发器中气泡的生成和生长的速度加快，两相工质的相会作用加强，同时由于蒸发器出口含气率的增大，两相工质的平均密度减小，工质体积增大使其平均流速增加，蒸发器和辐射器管路内流阻的增大更明显，流量漂移量也因此增大。

图5 不同热负荷功率下归一化流量漂移量Fig.5 Normalized flow excursion with various heating power

归一化流量漂移量与初始流量的关系如图6所示。由图6可知：在相同热负荷下，随着初始流量的减小，归一化流量漂移量变大。这是因为在相同的热负荷功率下，初始流量越小，驱动泵的输出功率就越小，系统的外部特性曲线(驱动泵的特性曲线)越向下偏移，系统达到稳定后的流量减小，流量漂移量增大；同时初始流量越小，对一定的热负荷功率，蒸发器的出口含气率将越高，系统阻力的增大越明显，使流量漂移量增大。

图6 不同初始流量下归一化流量漂移量Fig.6 Normalized flow excursion with various initial flow rate

3.3流量漂移量与系统运行参数的关系

由上述分析可知：流量漂移量可视作一定热负荷功率和初始流量共同影响的结果。分析数据发现流量漂移量与其他的系统运行参数亦有明显的函数关系，系统运行参数包括蒸发器出口含气率与系统阻力。

不同加热功率和初始流量下，蒸发器出口热力学含气率和归一化流量漂移量的关系如图7所示。由图7可知：归一化流量漂移量与蒸发器出口热力学含气率有较强的函数关系，随着热负荷功率的增加，流量漂移量与含气率也逐渐增大，但初始流量的影响不明显；当归一化流量漂移量小于60%时，含气率保持低于40%，且增长速度不明显，当归一化流量漂移量大于60%时，含气率迅速增大，当蒸发器出口含气率过高时，若系统流量受扰发生波动，则蒸发器极易出现蒸干。在实际应用中，针对不同初始流量，应控制热负荷功率上限值，保证稳态时归一化流量漂移量小于60%，避免发生因流量漂移量过大而发生的蒸发器蒸干。

图7 不同归一化流量漂移量下热力学含气率Fig.7 Thermodynamic quality with various normalized flow excursion

蒸发器出口热力学含气率可表示为

(11)

式中：Q为热负荷功率。当系统达到热平衡后，热力学含气率即为质量含气率，若热力学含气率大于1，则工质状态为过热蒸汽，即蒸发器出口出现蒸干。

系统达到热平衡后的工作点可由系统的内部流动曲线和外部流动特性曲线(驱动泵的特性曲线)的交点确定，其中系统阻力受热负荷功率和初始流量的共同影响。在一定的初始流量下，系统阻力与归一化流量漂移量的关系如图8所示。由图8可知：

a)在相同的初始流量下，归一化流量漂移量越大，系统阻力越高，这是因为蒸发器功率的提升导致了工质出口的含气率和平均流速提高，带来了管路中更大的摩擦压降，导致流量漂移量增大。在相同的归一化流量漂移量下，初始流量越大，由流速增加带来的系统阻力越大。

b)归一化流量漂移量与系统阻力呈高度的线性关系，在空间环境中无流量计时，可通过测量系统阻力推算出系统稳态流量。

图8 不同归一化流量漂移量下系统阻力Fig.8 System pressure drop with various normalized flow excursion

3.4流量漂移中流型变化

流型即两相流动介质的分布状况，对两相流动压降和传热性能有重要影响，还会影响流动参数测量的准确性和系统运行的稳定性[8]。水平管内的流型一般有泡状流、塞状流、分层流、波状流、弹状流和环状流，根据不同的含气率和汽液两相的速度，管内会出现不同的流型，水平管内流型如图9所示。由图9可知：不同流型的汽液界面连续性各异，如泡状流、分层流和环状流，其汽液两相分布沿管路方向均匀性较高，可视为连续性流型，而如塞状流、波状流和弹状流则可视为间断性流型。流型不同会对系统流量和压力的测量产生影响，不连续的流型会导致测量的波动性。

图9 流型图Fig.9 Schematic of flow pattern

通道直径2 mm内的流型如图10所示(实验工质为液氮)[9]。由图10可知：当工质质量含气率大于0.2时，管内流型基本为环状流。

图10 通道直径2 mm的流型图Fig.10 Flow pattern map for 2 mm tube

辐射器管路为直径4 mm圆管，流量计安装在辐射器出口，当辐射器管路内存在不连续流型时，工质流过辐射器和辅助换热器后，气泡的间断性湮灭会使流量计的测量出现波动。初始流量8.0 g/s，不同热负荷功率下，蒸发器出口热力学含气率的瞬态变化如图11所示。由图11可知：在一定工况下，由于流量测量出现波动性，含气率的计算值也具有波动性，而可发现含气率发生较大波动的范围均在0.25左右。如热负荷功率200 W时，含气率的计算值在591～915 s出现了较大波动；热负荷功率175 W时，含气率波动从594 s开始出现直至达到热平衡。

图11 初始流量8.0 g/s时不同热负荷功率下蒸发器出口含气率Fig.11 Evaporator outlet vapor quality with various heating power with initial flow rate 8.0 g/s

由此可说明：当热负荷开启并出现流量漂移现象后，系统流量逐渐下降，蒸发器出口含气率逐渐上升，当含气率降低至一定值时，系统管路中两相工质的流型发生较大变化，由连续性的流型变化为间断性的流型，导致了流量计测量的波动性，从而导致了含气率计算的波动性；当流量漂移量进一步增大时，如在较高热负荷功率(≥200 W)下系统流量漂移使蒸发器出口含气率增高至0.25以上时，系统管路内的流型再次发生变化，转变为环状流这一连续性流型，使流量计测量的波动性消失。

4 结束语

本文针对基于微小通道热沉的泵驱动两相流体回路系统，进行了两相流体回路的流量漂移实验，研究了初始流量和热负荷功率对流量漂移量的影响，以确定归一化流量漂移量与蒸发器出口含气率、系统阻力和流型的关系。结果如下：热负荷功率越大，初始流量越低，归一化流量漂移量越大；归一化流量漂移量与蒸发器出口热力学含气率呈正相关关系，当漂移量大于60%时，含气率随漂移量的增长显著；同一初始流量下，流量漂移量越大，系统阻力越大，且系统阻力与归一化流量漂移量存在较强的线性关系；在发生流量漂移的过程中，会出现流型的变化，产生系统流量测量的波动。流量漂移会降低系统流量，并使蒸发器出现蒸干的可能。通过本文的研究，可确定系统在一定热负荷功率下应提供的系统流量，即确定热负荷加载前的初始流量，以弥补源于流量漂移的流量降低。本文研究了流量漂移量与含气率、系统阻力和流型的关系，给出了系统各参数的联系，加深流量漂移过程中系统整体特性变化的认识。流量漂移现象只是两相流动不稳定性中静态流动不稳定性的一个内容，两相流动不稳定性还包括密度波型脉动、流型变迁不稳定性、平行通道的关键脉动等。这些不稳定性均会对系统运行产生影响，研究这些不稳定性的形成原理和抑制措施是非常有必要的。此外，对微小通道热沉内部自身的流动不稳定性是否对系统稳定运行产生影响，也是后续研究的内容。

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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

国家自然科学基金资助(51506131，51406122)

刘长鑫(1991—)，男，硕士生，主要研究方向为两相流体回路热控技术。

张济民(1985—)，男，博士，主要研究方向为航天器热控制技术。

TK124

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