TOPAZ-Ⅱ热管辐射器性能影响因素研究

冯潇 王傲 葛攀和 胡古 赵守智

摘   要：本文对TOPAZ-Ⅱ改进型热管辐射器建立了一套整体的计算模型，包括角系数计算模型、热管传热模型、翅片导热模型以及集流环压降和传热模型。研究了角系数分布、进口温度、进出口接管对数、流量和翅片厚度对辐射器性能的影响。研究表明，横向角系数分布对辐射器性能影响明显。在600-1100K温度范围内，进口温度的升高使得温度不均匀性增加，当进口温度取820K基本满足设计要求，另外增加进出口接管数目可以显著降低流阻，但对辐射器的功率基本无影响。所研究的辐射器在流量为1.5kg/s，进出口接管对数取3，翅片厚度为0.14 mm具有较佳的性能。

关键词：TOPAZ-Ⅱ  空间堆  辐射器  优化设计  高温热管

中图分类号：TL339                                 文献标识码：A                        文章编号：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

熱管辐射器具有较好的抗单点失效和散热性能，因此被广泛使用在空间热管理领域，如空间核反应堆系统以及太阳探测器等[1]。TOPAZ-Ⅱ改进型辐射器[2]同样采用这种类型的辐射器，其散热性能将影响整个系统的发电效率，因此需要对整个辐射器进行较为精确的分析和计算。另外，鉴于空间发射活动的高昂成本以及空间堆复杂的管路设计，因此必须对辐射器性能影响因素进行必要的分析，来提高辐射器散热功率，同时减少辐射器质量和流阻。目前，国内已经研究热管式辐射器的稳态和瞬态行为[2-4]，但是这些模型相对粗糙，因此需要建立较为精细的模型来完成上述目标。

为了精确计算热管辐射器热工性能，本文首先采用控制容积法和热阻网络法分别对翅片和热管建模，并将角系数计算的问题转换成粒子输运的计算问题。利用上述模型和计算结果研究了角系数分布、入口温度、进出口接管对数、流量、翅片厚度等因素对辐射器性能影响。

1  计算模型

1.1 物理模型

所分析的辐射器结构如图1所示，主要由进出口接管、集流环、热管以及翅片所构成。表1为TOPAZ-Ⅱ辐射器部分结构参数。

1.2 数学模型

1.2.1 角系数计算模型

辐射器散热主要由三个部分组成，即外表面的辐射散热、内表面向辐射器大、小端面的辐射散热。而辐射换热中关键在于角系数的计算，采用一般的解析方法难以实施。MonteCarlo方法相较于解析方法具有鲁棒性强的特点，而这种方法关键在于找到描述光子运动方向的函数[5]。

其中dA微元发射表面面积;θ，分别为极角、方位角;I定向辐射强度;dΦ、dn分别为微元面向单位立体角内辐射的能量和光子数目;Φ，n分别表示微元面上半球空间内总的辐射能和光子数目;

因此可以假设光子的运动方向的极角符合均匀分布，方位角分布函数为：。

1.2.2 翅片计算模型

其Q为内热源项;T为翅片温度;Tsec为翅片微元体温度;Tinner为热管外表面温度;T0为背景辐射温度;x、y为分别为微元体的横、纵坐标值;d为翅片厚度;d0为热管外径;Asec为翅片微元体面积;λ为翅片的导热系数;fin、fout分别为翅片内、外表面的角系数;分别为翅片内、外翅片表面的表面发射率。

1.2.3 热管计算模型

根据热阻网络理论，热管内的传热过程可以等效为11个热阻[7]，如图3所示，现分别介绍如下：

为研究沿热管长度方向上不同位置点处温度对整个辐射器散热性能的影响，需要对整个热管沿长度方向上进行节点划分，得到如图4所示的热阻网络。

将上述的热阻网络等效为电阻网络，通过求解电阻网络的电流和电压即可得到对应各个节点处的热流和温度值。

1.2.4 集流环计算模型

集流环内冷却剂冲刷热管换热模型可以分别近似地当做均匀壁温边界条件下横掠管束问题，Cess和Grosh基于无粘性位势流模型[8]，导出理论方程为：

其中：ΔP1为突扩或者突缩产生压降;ΔP2为集流环内压力损失;为形阻系数;u为流速;分别代表进、出口的面积。Cf为修正系数;n为热管根数。

2  计算结果

（1）使用MCNP程序对辐射器进行角系数模拟计算，结果如图5所示。可见由于热管与翅片之间的相互遮挡使得辐射器内表面向大端以及小端辐射的角系数沿翅片的横向和纵向变化十分明显，横向和纵向最大的变化幅度均约为0.6。辐射器外表面的角系数在翅片横向方向上变化明显，但沿长度方向上基本保持不变，横向最大的变化幅度约为0.3。

在进口温度取820K时，考虑横向角系数分布对功率的影响，结果如图6所示。

由于考虑角系数横向分布时，内表面角系数显著减小，使得辐射器的内表面向外辐射功率显著降低。经统计，当考虑横向角系数分布的影响后，总功率由原来的140.615kW变为117.153kW，功率下降幅度达16.7%。

（2）将上述角系数的计算结果带入到程序中，研究进口温度对辐射器性能影响，结果如图7所示。

从上图中不难发现，在600～1100K温度范围内，当进口温度在820K左右时，辐射器功率基本满足额定功率的要求。另外从图中可以看出随着进口温度提高，平均辐射温度与进口温度差值反而增大，这说明辐射器进口温度提升使得散热能力增加，导致了翅片温度分布不均匀性增加，因此进口温度提升并不能同等幅度提升功率。

（3）假设其他变量不变，研究进出口接管对数和流量对辐射器性能影响，结果如图8所示。

从图中可以看出不同的进出口接管对数对辐射器总体的辐射功率基本无影响，但是增加进出口对数可以显著降低了集流环内的流速，从而降低辐射器内的流阻。另外从图中也可以看出当流量值大于2kg/s之后，功率随流量的提升并不明显，同时当流量小于1.5kg/s时，流量每变化0.1kg/s时，功率变化超过810W，变化较为剧烈，因此为了保证系统具有较好的调节性能，建议总的流量值选定在1.5～2kg/s。

（4）为了尽可能减少流阻，取流量值为1.5kg/s，进出口接管数对数取3，考虑不同翅片厚度对辐射器性能影响，结果如图9所示。

由于翅片厚度增加，在同样的横向温度梯度下，翅片的辐射散热能力增强，但是翅片厚度增加会导致辐射器质量增大，因此存在一个最佳的厚度值使得功率质量比值最大，从图中可以看出最佳的厚度约为0.14mm。

3  结语

本文对锥型热管辐射器整体建模，分析了横向角系数、进口温度、进出口接管对数、流量以及翅片厚度对辐射器性能的影响，得到如下结论：

（1）在辐射器热工计算时，横向角系数分布对辐射器功率有着十分显著的影响，因此计算时不能忽略这一影响因素。

（2）在600-1100K温度范围内，当进口温度增加时，导致輻射器整体的温度不均匀性增大，使得进口温度提升并不能同等幅度提升功率。当进口温度取820K时，辐射器辐射功率满足设计要求。

（3）辐射器进出口接管对数对辐射器功率的影响可以忽略不计，但是增加进出口接管的对数可以显著降低流阻。

（4）当流量值取在1.5～2.0kg/s，对于所研究辐射器具有较好的调节性能，为了尽可能降低流阻流量值取1.5kg/s，进口接管对数取3，进口温度为820K时，翅片取0.14mm时可以使辐射器的功率质量比达到最大值。

参考文献

[1] 苏著亭，杨继材，柯国土.空间核动力[M].上海：上海交通大学出版社，2016.

[2] 张文文，陈静，田文喜，等.TOPAZ-Ⅱ空间电源系统辐射器改进研究[J].原子能科学技术，2016，50（8）： 1402-1409.

[3] 刘逍，张文文，王成龙，等.空间堆辐射散热器设计分析[J].原子能科学技术，2018，52（5）：788-794.

[4] 王成龙，宋健，陈静，等.TOPAZ-Ⅱ改进型热管辐射换热器传热单元数值研究[J].原子能科学技术，2016，50（1）： 80-85.

[5] 邱义芬，陈拥华，袁修干，等.舱外航天服的轨道空间外热流计算方法[J].航空学报，2004（3）：221-224.

[6] 陶文铨.数值传热学[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2001.

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

[8] 重庆大学热管科研组.热管基础及其应用[M].重庆：科学技术文献出版社，1977.