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TOPAZ-Ⅱ热管辐射器性能影响因素研究
作者: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
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。
数学模型
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:。
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。
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。
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,。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,。
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,,