● 摘要
大量的高性能的电子设备装机提高了飞行器的整体性能，但随着电子设备的发热功率增加，如何有效传热和保证可靠性成为了一个问题。电子设备的不断增加，使环境控制系统的制冷载荷急剧升高。传统的空气循环式制冷系统难以满足当代飞行器整体的冷却和可靠性要求，有必要使用机载蒸发循环制冷系统。但另一方面，作战飞机在加速、减速以及进行机动飞行时，蒸发循环系统管道中的工质要承受来自各个方向、不同大小的加速度。在过载加速度作用下，管内两相流体会出现不同程度的回流、涡流、加速、减速和滞止，管内流体的流型、速度场和压降等都会发生显著变化，这些改变都会影响介质的流动沸腾换热特性。
本文采用螺旋管作为研究对象，正戊烷为工作介质，自行设计并搭建了过载加速度环境下的气液两相流实验台。使用离心机提供的离心力来模拟过载加速度环境，最大可提供15g的离心加速度。实验中最大的热流密度为15100W/m2，质量流速从40 至200kg/m2s，出口干度最高为50%。
本课题首先在普通地面重力场下进行实验，并对实验台进行检验，测试系统的漏热。随后获得地面重力场环境下螺旋管流动阻力和局部传热系数随工作参数和结构参数变化的数据，为进一步研究过载加速度环境下螺旋管的流动和传热特性提供基础。
在地面重力场研究的基础上，将实验装置改装到加速度模拟试验台上，所用实验样件及实验工况完全相同，通过改变过载加速度方向和过载加速度大小，研究过载加速度环境对螺旋管内两相流流型、流阻和传热特性的影响。主要研究了其对壁面过热度的影响和所受过载加速度方向对流动与传热的影响。同时针对过载加速度环境，拟合相应的实验关联式。
流型在两相流流动和传热特性研究中是非常重要的，大部分的流动沸腾传热现象，均与流型密不可分，每种流型有其独特的流动机理。本课题中采用300fps高速摄像对螺旋管内的流型进行了拍摄，分别对有过载加速度和无过载环境下的流型进行了对比和分析，研究过载环境下两相流型分布规律。实验中发现螺旋管上升段和下降段有着不同的流型，同时在过载加速度环境下，管内有不同于地面重力场的流型。管内流型对受过载的方向也较为敏感。
最后，本课题采用数值模拟的方法对地面重力场和过载加速度环境下螺旋管内流动沸腾进行了研究，采用VOF模型和动网格，自定义两相间质量与能量交换速率。对同一试件中四种不同热流密度下的两相沸腾流动进行了模拟，并将模拟结果与实验对比。最后通过简化模型，计算管内压力梯度来预测气相与液相的分布情况。通过实验与数值模拟的结果得出过载加速度对流型影响本质为两相重新分布。