[發明專利]一種近地軌道下空間堆熱管輻射器傳熱特性分析方法

有效

• 申請號: 202111066037.0
• 申請日: 2021-09-13
• 公開（公告）號: CN113779723B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 王成龍;金釗;張大林;秋穗正;田文喜;蘇光輝
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種近地軌道下空間堆熱管輻射器傳熱特性分析方法，包括以下步驟：

步驟1：確定空間堆運行軌道高度、傾角和周期，確定輻射器結構與初始參數，輸入熱管熱源和熱阱溫度，設定計算時間；

步驟2：對輻射器的熱管及焊接在熱管上的翅片劃分控制體，熱管沿徑向和軸向劃分控制體，翅片沿熱管軸向及垂直于熱管方向劃分控制體，初始時刻對每個控制體設定同一溫度；

步驟3：對當前時刻熱管進行傳熱計算，計算熱管管壁、吸液芯及蒸汽腔溫度隨時間變化率；

熱管由管壁、吸液芯及蒸汽腔組成，對熱管的傳熱計算包括管壁導熱，吸液芯流動換熱，及蒸汽腔的流動換熱，其傳熱方程如下：

管壁區域

吸液芯區域：

蒸汽區域：

式中：

C_w——管壁區域體積熱容/J·m^-3·K^-1

C_eff——吸液芯有效體積熱容/J·m^-3·K^-1

C_v——蒸汽區域體積熱容/J·m^-3·K^-1

T_w——管壁溫度/K

T_ws——吸液芯溫度/K

T_w——管壁溫度/K

T——蒸汽溫度/K

t——時間/s

x——吸液芯、管壁徑向坐標/m

y——吸液芯、管壁軸向坐標/m

z——蒸汽區域軸向坐標

ε——吸液芯等效系數

K_eff——吸液芯等效導熱系數/W·m^-1·K^-1

K_l——工質導熱系數/W·m^-1·K^-1

K_s——吸液芯導熱系數/W·m^-1·K^-1

T₊——氣液界面溫度/K

R_r——氣液表面相變熱阻/K·W^-1

R_z——蒸汽腔軸向熱阻/K·W^-1

步驟4：計算當前時刻太陽輻射熱流密度；

太陽輻射熱流密度與空間堆所處位置有關，空間堆沿近地軌道運行至不同位置，將受到不同程度的陽光照射；太陽光與空間堆相對位置由下式(5)-(11)計算：

太陽光與軌道面夾角：

sini_θ＝cosisinIsinψ+sinisinΩcosψ-sinicosIcosΩsinψ (5)

計算坐標系相角：

cosΦ＝cosi'cosθ (6)

計算坐標系飛行器主軸赤經緯：

δ_n＝arcsin[sini'sin(π+θ)] (7)

sinα_n＝tanδ_n/tani (8)

cosα_n＝cos(π+θ)/cosδ_n (9)

計算坐標系太陽角：

cosψ_s＝cosδ_ncos(α_n-π/2) (10)

衛星坐標系太陽赤經：

cosλ_s＝-cosΦ/sinψ_s (11)

太陽輻射熱流密度：

φ₁＝cosβ_s＝cosψ_ssinφ_acos(λ_a-λ_s) (12)

i_θ——太陽光與衛星軌道面夾角/°

i——運行軌道傾角/°

i'——計算坐標系下運行軌道傾角/°，i'＝-i_θ

I——黃赤交角/°

Ψ——太陽黃經/°

Ω——升交點赤經/°

θ——會日點至衛星地心角距/°

α_n——衛星主軸赤經/°

δ_n——衛星主軸赤緯/°

Ψ_s——計算坐標系上太陽角/°

λ_s——衛星本體坐標系太陽赤經/°

φ₁——太陽輻射角系數

b——翅片寬度/m

Q——太陽輻射熱流密度/W·m^-2

S——太陽常數，S＝1353(±21)W·m^-2

Φ——坐標系相角/°

x₀——翅片起始坐標/m

x_e——翅片終止坐標/m

上式中在計算出太陽光與空間堆相對位置，利用式(12)-(13)即能得到太陽輻射熱流密度；

步驟5：計算當前時刻翅片溫度隨時間變化率

對于翅片，排出熱量由三部分組成，為翅片兩側輻射換熱、焊接與熱管部分的翅片散熱、裸露的熱管散熱；對翅片模型的求解主要考慮翅片外側與外部環境、熱管冷凝段換熱，翅片內側與上下端散熱及翅片內側間換熱，利用步驟4求得的太陽輻射熱流密度，得到如下控制方程：

式中：

T——翅片微元體溫度/K

ε——黑度

T_con——熱管冷凝段根部溫度/K

T_out——為外部環境溫度/K

λ——翅片導熱系數/W·m^-1·K^-1

b——翅片厚度/m

f_o1——翅片外側與外部環境的輻射角系數

f_o2——翅片外側與熱管冷凝段輻射角系數

f_i1——翅片內側與外部環境輻射角系數

f_i2——翅片自輻射角系數

σ——玻爾茲曼常數，σ＝5.67×10^-8W·m^-2·K^-4

Q——太陽輻射熱流密度/W·m^-2

步驟6：利用吉爾算法求解下一時刻的熱管及翅片溫度參數，循環計算直到達到設定時間循環計算直到達到設定時間；

由于輻射器熱管及翅片各部分劃分為控制體，則存在一系列的傳熱控制體，因此有一系列一階線性方程，離散后，方程轉化為帶有初值的非線性微分方程組，統一體形式為：

根據求解出的溫度隨時間的變化率，吉爾算法將重復計算迭代求解得到當前時刻熱管及翅片的溫度值，計算完成后進行下一時刻計算；最終通過步驟3-5計算至設定時間。