● 摘要
吸热蓄热器是空间站太阳能热动力发电系统（SSDPS — Space Solar Dynamic Power System）的关键部件，其中蓄热容器的传热性能和结构可靠性更是直接关系到吸热蓄热器乃至SSDPS的性能和寿命。蓄热容器内的空穴分布不仅降低导热性能，而且产生局部高温和集中热应力严重影响容器的结构可靠性，是吸热器设计中亟待解决的问题。但是由于微重力下的相变传热和空穴分布等物理过程的理论研究和地面试验都有较大难度，国内在相关方面的研究还相当缺乏。本文对蓄热容器内的相变蓄热过程进行了仿真计算，分析了空穴分布的影响，在此基础上提出了填充泡沫镍改善蓄热容器的导热性能和空穴分布的方案，并且探索性地进行了填充泡沫镍的新型蓄热容器的设计、优化和制造工艺的研究。论文的主要研究内容包括：(1) 建立了蓄热容器内相变传热过程的物理模型和数学模型，在理论分析的基础上，根据PCM凝固过程的仿真结果建立了趋于高温区域的改进空穴分布模型；基于FLUENT软件分别对3种空穴分布形式下的相变蓄热过程进行了仿真计算和对比分析；通过与NASA仿真计算结果和空间搭载蓄/放热实验结果的对比，基本验证了本文仿真计算模型和方法的准确性和合理性；并以此为基础分析蓄热容器内的相变蓄热过程，为蓄热容器的改进设计提供了思路和理论依据。(2) 提出在蓄热容器中填充泡沫镍来改善导热性能和空穴分布的方案。针对泡沫金属基组合相变材料（CPCM — Composite Phase Change Material）的微观结构特征提出了一种新的复合材料相分布模型——立体骨架式相分布，在此基础上建立了含有空穴子模型的泡沫金属基CPCM的传热模型，利用等效热阻法推导得到了有效导热系数的计算式；利用该计算式对典型泡沫金属基CPCM有效导热系数进行了实例计算，将计算结果与采用其他方法的计算结果以及实际测试结果进行了比较分析,证明本文推导的有效导热系数计算式具有更好的计算精度；以两类典型泡沫金属基CPCM为基准形式，分析了泡沫金属孔隙率、空穴率等结构参数对不同类型泡沫金属基CPCM导热性能的影响；最后基于FLUENT和CPCM的有效导热系数计算式对填充泡沫镍的新型蓄热容器进行了仿真计算，证明其在传热性能、温度均匀性和PCM的有效利用率方面的显著提高。(3) 设计制造了两组分别填充和未填充泡沫镍的铝合金/石蜡蓄热容器，搭建了地面蓄/放热实验台，进行了多个工况下两组蓄热容器的蓄/放热实验，实验后通过CT扫描得到蓄热容器内5个水平断面上空穴分布的CT图像。通过对蓄/放热实验数据和空穴分布CT图像的对比分析，验证了填充泡沫镍对蓄热容器导热性能和空穴分布的改善。(4) 以SSDPS的7 kW热管式吸热器为应用目标，进行了新型蓄热容器的方案设计和优化。与原蓄热容器方案相比，新型蓄热容器除了在容器导热性能，温度均匀性和空穴分布形式得到了显著改善，其LiF有效利用率提高了2.6 %，单位体积蓄热能力和单位质量蓄热能力分别增加了1.6 %和3.8 %，所需蓄热容器个数减少51.8 %也显著减少了蓄热容器加工和装配时的工作量。另外还针对蓄热容器加工制造中的难点和新型蓄热容器中填充泡沫镍的特点，对新型蓄热容器的加工制造工艺进行研究，提出了新型蓄热容器的加工制造方法和步骤，并对电子束焊接和LiF的熔化、充装中的难点进行了改进。本文的研究工作为热管式吸热器的总体方案设计和实验样机研制打下了良好基础，其中对于PCM中填充泡沫金属的基础性理论研究和探索性实验研究对于相变蓄热技术的研究和推广具有更加普遍的意义，在电子设备热防护、工业余热回收和其他节能环保领域具有广泛的应用前景。