题目：液氮温区深冷环路热管运行特性的理论与实验研究

深冷环路热管（Cryogenic Loop Heat Pipe, CLHP）作为近年来发展起来的一种深低温热传输器件，集高效热传输、柔韧热连接以及热开关特性于一身，可有效解决空间红外探测器等精密仪器与低温制冷机的分离问题，实现红外设备与低温制冷系统的有效热耦合，抑制来自低温制冷机的机械振动和电磁干扰，提高空间红外探测系统的指向灵敏性和成像质量，正成为国内外多家科研机构的研究热点。由于CLHP充装低温工质、运行在深低温区，导致其与常温环路热管在诸多方面存在差异。通过充分调研与分析，本文从工质选择、系统构成、启动过程、传热极限以及周围环境寄生漏热的影响等方面对CLHP与常温环路热管进行了系统的比较研究，为下一步开展CLHP的设计以及实验研究提供必要的指导。针对CLHP的应用背景，即作为空间红外探测系统中连接红外探测器与低温制冷机的“桥梁”， 本文完成了小型化CLHP的设计，包括工质选择、系统选型、部件设计以及传热能力和机械强度校核。该CLHP以氮为工质，工作温区80-110K，采用辅助回路法实现超临界启动。文中详细介绍了CLHP各组成部件的设计原则与方法，其中，蒸发器通过鞍座与红外探测器发热面贴合；圆柱型冷凝器的设计满足与低温制冷机冷端的接口要求。此外，对确定储气室容积与工质充装压力的原则与方法进行了详细阐述，以确保CLHP成功实现超临界启动与正常运行。对自行设计的小型CLHP的运行特性开展广泛深入的实验研究，包括超临界启动特性、主次蒸发器热载荷的匹配特性、传热极限、热阻变化、主蒸发器小热载荷长时间运行的能力、主蒸发器热载荷递变特性以及热开关特性等。同时，对工质充装压力、次回路管线从主储液器引出位置以及储气室接入点位置等对CLHP工作性能的影响进行了实验研究。通过实验研究，本文验证了前人的一些结论，并得出以下重要结论：（1）通过减小传输管线的管径可有效减小周围环境的寄生漏热，对次蒸发器施加2.5W的热载荷，CLHP即可实现超临界启动；（2）当工质充装压力较低时，虽然CLHP能够实现超临界启动，但是主蒸发器无法独立运行；（3）CLHP克服周围环境寄生漏热的能力取决于主次蒸发器热载荷之和，在合适的工质充装压力下，当主蒸发器热载荷较大时，主蒸发器能够独立运行，而当主蒸发器热载荷较小时，需要次蒸发器的辅助运行，且主蒸发器热载荷越小，需要对次蒸发器施加的最小热载荷越大；（4）当次回路管线从主储液器底部引出时，CLHP传热极限较小，而当次回路管线从主储液器中部和顶部引出时，CLHP传热极限显著增大；（5）该CLHP具有12W×0.56m的热传输能力，并表现出良好的热控性能。建立了CLHP稳态运行的数学模型。模型考虑了主次回路间的相互作用与影响。其中，对蒸发器毛细芯的建模既包括传统的单层毛细芯，也包括具有发展前景的双层复合毛细芯。鉴于冷凝器小管径的特点，对冷凝器两相区的建模基于环状流流型，考虑了液体表面张力的作用以及气液两相间的相互作用。采用增值寻根法对稳态模型进行求解，以满足CLHP各部件能量平衡、压力平衡以及质量守恒的要求为止，模拟所得CLHP温度变化趋势以及传热极限等同实验数据具有良好的一致性。应用该稳态模型，可获得CLHP稳态运行沿回路的温度分布以及各部件内的压降，并能够考察热沉温度、周围环境的寄生漏热、反重力高度以及次蒸发器热载荷等对CLHP稳态运行温度的影响，从而揭示CLHP的稳态工作机理与运行特性。建立了CLHP超临界启动过程的数学模型。模型采用节点网络法，将CLHP的超临界启动过程划分为三个阶段，即次蒸发器的冷却过程、主蒸发器的冷却过程以及主回路的启动过程，根据不同阶段蒸发器毛细芯所具有的功能和特点，对主蒸发器和主储液器以及次蒸发器和次储液器分别建立相应的热网络图。应用该节点网络模型，可获得超临界启动过程CLHP各部件的温度与压力变化，并能够考察一些关键因素如工质充装压力、周围环境的寄生漏热以及次蒸发器热载荷等对CLHP超临界启动性能的影响，对一定的工作条件下CLHP能否实现超临界启动作出判断，有助于加深对CLHP超临界启动特性的理解。综上所述，本文掌握了小型CLHP的设计方法，考虑了实际应用中的接口要求，并对其运行特性开展了系统深入的理论与实验研究，较为全面揭示了CLHP的工作机理与运行特性，为CLHP未来的工程应用奠定了基础。