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環(huán)路熱管(Loop Heat Pipe：LHP)是一種利用蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)回路運(yùn)行、利用工質(zhì)相變傳遞熱量的高效傳熱裝置。它具有傳熱性能高、傳輸距離遠(yuǎn)、傳熱溫差小以及安裝靈活方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航天器熱控方面具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，LHP也適用于高熱流密度電子元器件的散熱。
蒸發(fā)器是系統(tǒng)熱負(fù)荷的承受部件，在蒸發(fā)器毛細(xì)結(jié)構(gòu)中，液體工質(zhì)受熱發(fā)生汽化，將熱量從熱源運(yùn)送到冷凝器后，汽相工質(zhì)發(fā)生凝結(jié)，向外界傳熱，蒸發(fā)器毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)抽吸力使冷凝器中的冷凝液體通過(guò)液體管道返回到蒸發(fā)器，完成系統(tǒng)循環(huán)。在LHP中，蒸發(fā)器是最為關(guān)鍵的組成部分之一，它不僅是熱量的吸入部件，而且是整個(gè)系統(tǒng)中工質(zhì)循環(huán)所需驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生的源頭，其性能好壞直接影響到LHP能否啟動(dòng)和整個(gè)工作的實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，由于圓盤式蒸發(fā)器具有傳熱能力大、等溫性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
本文針對(duì)由所在實(shí)驗(yàn)室已設(shè)計(jì)出的LHP圓盤式蒸發(fā)器創(chuàng)建了三維模型，進(jìn)行了有限元分析和熱分析，進(jìn)一步了解其工作性能為以后實(shí)驗(yàn)工作打下較好的基礎(chǔ)。LHP圓盤式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)由帶肋片的上蓋、多孔芯層、儲(chǔ)液層、周向外壁和帶肋片的底座組成。周向外壁與底座是一體的，上蓋通過(guò)焊接與周向壁面相連。
根據(jù)實(shí)際需要，將蒸發(fā)器上蓋設(shè)計(jì)為具有肋片結(jié)構(gòu)形式，下部肋片厚0.5mm，與多孔芯接觸，上部平板厚1.5mm，總厚度2mm。
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：
(1)減少蒸汽的流動(dòng)阻力，加快蒸發(fā)器啟動(dòng)速度；
(2)提高蒸發(fā)器工作性能；
(3)保證蒸發(fā)器上蓋的承壓能力，并減輕蒸發(fā)器重量。
根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸，在ANSYS軟件中繪制三維模型，并加載工作條件，進(jìn)行有限元分析。
2 mm厚無(wú)肋片結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器上蓋應(yīng)力分布圖，在中心處和邊緣連接處附近應(yīng)力分布集中，如圖中深色區(qū)域，最大應(yīng)力值SMX=80 MPa左右，最大形變量DMX=0.017 mm。有肋片結(jié)構(gòu)，總厚度也為2 mm的蒸發(fā)器上蓋應(yīng)力分布圖，由于肋片的作用，應(yīng)力分布比較均勻，圖中深色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力較小區(qū)域。由于肋片結(jié)構(gòu)邊緣存在尖點(diǎn)，導(dǎo)致在肋片上的尖點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，產(chǎn)生虛假最大應(yīng)力值SMX=192 MPa，這對(duì)上蓋的變形和應(yīng)力分析的影響可以忽略。由前面的圖形和經(jīng)驗(yàn)可知，應(yīng)力較大區(qū)域應(yīng)出現(xiàn)在中心處與邊緣連接處附近，故實(shí)際最大應(yīng)力值應(yīng)為100 MPa左右，比沒(méi)有肋片結(jié)構(gòu)的上蓋只多出20 MPa左右的應(yīng)力，而獲得了如前面所述的3個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這樣，既保證了上蓋的承壓能力，又提高了蒸發(fā)器的工作性能。
蒸發(fā)器在啟動(dòng)前工質(zhì)不發(fā)生相變;流體基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，忽略對(duì)流換熱;蒸發(fā)器工作溫度較低，絕熱情況良好，忽略輻射換熱，這樣，蒸發(fā)器啟動(dòng)前的熱傳遞可以簡(jiǎn)化為非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱間題。
設(shè)蒸發(fā)器上表面加載的熱流密度q=10 W/cm2,周向壁面及底座與外部空氣間的自然對(duì)流換熱系數(shù)h=5 W/(m2/K)，系統(tǒng)的初始溫度T=290 K。將工作條件和物理模型在FLUENT軟件中進(jìn)行模擬，得到如下結(jié)果。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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