多支路并聯(lián)流體回路流量分配影響因素分析

楊 敏，王德偉，付 楊，車邦祥，陳 靈，鄭紅陽，于新剛，黃 磊，曹劍峰，黃 俊

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.航天恒星科技有限公司 天地一體化信息技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

單相流體回路利用機(jī)械泵提供驅(qū)動力，液體介質(zhì)通過冷板吸收熱量后溫度升高，在冷端（如換熱器）放熱，最終通過空間輻射器將熱量排散掉。單相流體回路熱控技術(shù)主要應(yīng)用于載人航天器［1-3］，包括載人飛船SZ 系列、空間實(shí)驗(yàn)室系列、天和核心艙以及問天和夢天實(shí)驗(yàn)艙。隨著科學(xué)技術(shù)及航天事業(yè)地不斷發(fā)展，未來航天器載荷功耗越來越大，工作模式復(fù)雜多變，單相流體回路技術(shù)從載人領(lǐng)域在逐步擴(kuò)展至通信、導(dǎo)航、遙感等衛(wèi)星平臺［4-6］。2019 年發(fā)射的東五平臺首發(fā)星實(shí)踐二十號通信衛(wèi)星，第一次在高軌使用了單相流體回路進(jìn)行溫度控制。目前，在載人登月、深空探測等新領(lǐng)域航天器論證過程中，也都使用了流體回路技術(shù)［7-8］。

應(yīng)用范圍、應(yīng)用場景的新變化，對單相流體回路技術(shù)提出了更高的要求，其中最主要的就是流體回路的可靠性和魯棒性。大型航天器的輻射器一般采用多支路并聯(lián)的方式，主要目的是降低空間碎片對管路造成泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低系統(tǒng)的阻力。例如天宮空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙配置了外回路和內(nèi)回路，其中外回路通過6 支路并聯(lián)的形式來降低流阻并提高可靠性。輻射器各支路的流量會影響輻射器散熱能力，反過來由于外熱流變化、遮擋等因素造成的輻射器散熱能力變化同樣會影響各支路溫度，進(jìn)而影響工質(zhì)黏度和工質(zhì)流量。最嚴(yán)重的情況會造成工質(zhì)凍結(jié)，導(dǎo)致單相流體回路系統(tǒng)失效，威脅航天器安全運(yùn)行。因此，亟需針對影響多支路單相流體回路系統(tǒng)流量分配和散熱能力的因素開展系統(tǒng)分析，為單相流體回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。范含林等［9］針對載人運(yùn)輸飛船的熱工況特點(diǎn)，基于能量平衡分析法設(shè)計(jì)了兩種流體回路方案，進(jìn)行了熱分析和性能比較，并對流體工質(zhì)的選擇給出了建議。劉慶志等［10］開展了流體回路與輻射器流動/傳熱及外熱流計(jì)算的集成分析，研究了控溫特性隨外熱流變化情況。陳江平［11］等建立了單相流體回路的軟件仿真模型，分析了其在典型工況下的控溫性能和動態(tài)響應(yīng)情況，并根據(jù)極端工況，即外熱流為零時(shí)進(jìn)行極限低溫工況分析。付楊等［12］通過仿真獲得了神舟飛船流體回路工作特性，與在軌實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好。對于多支路并聯(lián)單相流體回路系統(tǒng)的建模和仿真目前還比較少，尤其對影響流量分配的因素分析較少。黃磊等［13］基于特征線法建立了水擊效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對一種含并聯(lián)支路的單相流體回路在閥門閉合工況進(jìn)行了瞬態(tài)水擊仿真分析，提出了抑制水擊風(fēng)險(xiǎn)的方法。王海英等［14］針對流體回路在軌泄漏問題開展了仿真分析，建立了基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓力、溫度反演方法，可實(shí)時(shí)獲得泄漏孔徑大小和泄漏位置。劉欣等［15］使用（火積）耗散原理對多輻射器航天器熱控流體回路的散熱特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，輻射器與流體回路串聯(lián)時(shí)的系統(tǒng)散熱性能優(yōu)于兩者并聯(lián)情況?？梢姡延形墨I(xiàn)并沒有針對影響大型多支路并聯(lián)流體回路流量分配的因素開展研究。

為此，本文基于夢天實(shí)驗(yàn)艙外回路6 條并聯(lián)流體回路，使用FlowMASTER 軟件建立了簡化仿真模型，分別研究了外熱流、重力場以及管路阻力特性對各條支路工質(zhì)流量和溫度的影響，并給出了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，從而指導(dǎo)大型多支路并聯(lián)流體回路的方案設(shè)計(jì)，提高回路系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 仿真系統(tǒng)的建立

1.1 夢天實(shí)驗(yàn)艙外回路簡介

如圖1 所示，夢天實(shí)驗(yàn)艙總長17 950 mm，主體結(jié)構(gòu)由工作艙、載荷艙及資源艙3 部分組成。工作艙與載荷艙為密封艙，資源艙為非密封艙。為高效收集并排散設(shè)備廢熱，夢天實(shí)驗(yàn)艙配置了外回路、載荷回路和中溫內(nèi)回路，其中中溫內(nèi)回路和載荷回路用于收集平臺及載荷設(shè)備工作產(chǎn)生的熱量，而外回路包含6 條并聯(lián)支路，通過與輻射器耦合設(shè)計(jì)向外部空間排散熱量。

圖1 夢天艙構(gòu)型Fig.1 Architecture of the Mengtian lab module

1.2 管路流阻模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性和可靠性，將管路流阻的仿真結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行了對比分析。搭建的流阻測試試驗(yàn)臺如圖2 所示，P1、P2分別是泵入口和出口壓力。系統(tǒng)管路總長約6 m，管徑為12 mm，管壁厚度為1.5 mm，測試工質(zhì)為水，分別測試了不同流量下的系統(tǒng)流阻。針對圖2 的試驗(yàn)測試系統(tǒng)在FlowMASTER 上建立了數(shù)值仿真模型并開展了系統(tǒng)流阻仿真，仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的對比如圖3所示。結(jié)果表明，數(shù)值仿真獲得的系統(tǒng)流阻與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，證明了本研究所采用的管路流阻模型的準(zhǔn)確性。

圖2 流阻測試原理Fig.2 Schematic diagram of the testing loop for flow resistance

圖3 數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)值的對比Fig.3 Comparison of the simulation results with the experimental data

1.3 多支路并聯(lián)流體回路仿真模型

在FlowMASTER 中建立的6 支路并聯(lián)流體回路系統(tǒng)仿真模型，如圖4 所示。工質(zhì)從左側(cè)入口流入后，分流至6 條支路后最終匯集到出口流出。管路材質(zhì)均為鋁，每條支路上都有一個(gè)用來調(diào)節(jié)流阻的孔板和一段管路，除主管路，6 條支路長度均約為35 m，直徑為12 mm，壁厚為1.5 mm，發(fā)射率為0.92。通過調(diào)整孔板來改變流阻，達(dá)到流量配平目的。各條主管路直徑為20 mm，靠近入口和出口的兩段管路長度均為10 m，而支路與支路之間的左右兩段管路長度相同。仿真過程的入口設(shè)置為流量入口，出口為壓力出口，工質(zhì)為全氟三乙胺，10 ℃常溫，工質(zhì)物性隨溫度變化而變化。

圖4 6 支路并聯(lián)流體回路系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of the fluid loop with six parallel branches

2 流量分配影響因素分析

2.1 外熱流影響

當(dāng)工質(zhì)在回路中流動時(shí)，會通過對流和導(dǎo)熱方式將熱量傳遞到管壁，管壁通過導(dǎo)熱方式將熱量傳遞給輻射器，最后輻射至外部空間完成熱排散，因此輻射散熱使得工質(zhì)溫度沿流動方向越來越低。如圖4 所示的多支路并聯(lián)流體回路，進(jìn)出口溫差會導(dǎo)致出口管路流阻增大，從而使得流量重新分配。回路系統(tǒng)向外部空間散熱量不同則工質(zhì)溫度不同，因此需要研究回路系統(tǒng)散熱量對工質(zhì)流量分配的影響規(guī)律。當(dāng)載荷工作模式以及回路系統(tǒng)流量確定后，外熱流變化是改變回路系統(tǒng)散熱量的主要原因。為此，本文設(shè)定回路總流量為900 L/h，通過改變輻射散熱溫度方式模擬外熱流變化，繼而改變流體回路散熱量，需要指出的是，這里假設(shè)每條支路所受到的空間輻射外熱流一致。在不受重力影響下，仿真外部輻射溫度分別為-250 ℃，-200 ℃，-150 ℃和-100 ℃工況，對應(yīng)的流體回路散熱量分別約為40、30、20 和10 kW。

各支路流量隨回路散熱量變化情況如圖5 所示，由圖5 可知：

圖5 流量隨回路散熱量變化情況Fig.5 Variation of the flow distribution with the radiation heat dissipation

1）當(dāng)存在輻射散熱時(shí)，由于溫度變化導(dǎo)致工質(zhì)黏度變化，因此會導(dǎo)致流量分配變得不均勻，表現(xiàn)為支路1～6 的流量依次減小，且散熱量越大，各支路出口的工質(zhì)溫度越低，流量分配不均勻現(xiàn)象越顯著。對于散熱量為30 kW 情況，支路1～6 流量分別為：154、153、151、149、147 和146 L/h，可見1～3 支路的流量略大于無散熱時(shí)的流量，而支路4～6 的流量小于無散熱時(shí)的流量。這種流量分配是因?yàn)殡x入口遠(yuǎn)的支路因?yàn)楣べ|(zhì)黏度增加，使流阻增加幅度較大，而離入口近的支路因?yàn)楣べ|(zhì)黏度增加，流阻增加幅度較小，如圖6 所示。以支路5 和支路6 為例，分析工質(zhì)黏度變化對支路流阻和流量的影響。初始通過流量配平，支路5 流量Q5和支路6 流量Q6均為150 L/h，兩條支路流阻相同，阻力關(guān)系為

圖6 支路5 和6Fig.6 Branch 5 and 6

式中：Δp孔板，5為支路5 孔板的流阻；Δp管路6，1為支路6管路1 的流阻，其他同理。

當(dāng)管路通過對流、導(dǎo)熱和輻射向外部空間傳遞熱量，出口溫度會低于進(jìn)口溫度，在給定輻射條件的初始時(shí)刻兩條支路流量均為150 L/h，且兩條支路工質(zhì)的進(jìn)出口溫差相同，此時(shí)仍有Δp管路，5=Δp管路6，2。由于出口工質(zhì)溫度降低導(dǎo)致黏度增大，因此式（2）中的Δp管路6，3變大，支路6 的流阻大于支路5，而其流量小于支路5，重新達(dá)到流阻平衡。

2）當(dāng)外熱流變化導(dǎo)致輻射散熱量增大時(shí)，則各支路流量分配不均勻現(xiàn)象更顯著，不過這種變化趨勢非線性，與黏度隨溫度變化趨勢密切相關(guān)。各支路出口溫度隨輻射散熱量的變化情況如圖7 所示，輻射散熱量分別為10、20、30 和40 kW 時(shí)對應(yīng)的支路出口溫度約為-16 ℃，-32 ℃，（-52.5～-50）℃，（-90～-60）℃。全氟三乙胺黏度隨溫度變化情況如圖8 所示，并標(biāo)出了不同輻射散熱量下對應(yīng)的支路出口溫度。由圖8 可知，散熱量40 kW 對應(yīng)的工質(zhì)溫度處于黏度劇烈變化區(qū)，散熱量30 kW 對應(yīng)的工質(zhì)溫度也處于黏度變化較大區(qū)域，而散熱量20 和10 kW 對應(yīng)工質(zhì)溫度的黏度與工質(zhì)初始溫度（10 ℃）對應(yīng)的黏度相差不大，因此在圖5 中，10 和20 kW 散熱量下的流量分配與初始相比變化不大，均約為150 L/h，而30 和40 kW 散熱量下的各支路流量差別很大。因此，在進(jìn)行流體回路設(shè)計(jì)時(shí)，要避免工質(zhì)溫度進(jìn)入黏度劇烈變化的區(qū)域，否則可能會加劇各支路流量分配的不均勻性，影響散熱能力。

圖7 出口溫度隨散熱量的變化情況Fig.7 Variation of the outlet temperature with the heat dissipation

圖8 全氟三乙胺黏度隨溫度變化情況Fig.8 Variation of the perfluorotrimethylamine viscosity with the temperature

2.2 重力場影響

當(dāng)流體回路向外散熱，管路的進(jìn)出口工質(zhì)溫度會不同，工質(zhì)密度也不同，此時(shí)重力場的存在可能會影響多支路并聯(lián)單相流體回路系統(tǒng)的流量分配，因此需要開展重力場對工質(zhì)流量分配，以及溫度場影響規(guī)律研究，探究地面試驗(yàn)與在軌運(yùn)行差異。為此，本文在總流量為900 L/h 時(shí)，分別研究有輻射散熱及無輻射散熱時(shí)，重力場對各支路流量分配的影響。

首先在不考慮輻射散熱情況下，使用孔板對6 條支路進(jìn)行流量配平，不存在輻射散熱，即恒溫流動時(shí)，存在以及不存在重力場時(shí)結(jié)果見表1?？梢娫诤銣亓鲿r(shí)，有無重力場對各支路的流量分配沒有影響，這是因?yàn)閷τ趫D4 中的任何一條支路，由于重力場的影響，其左邊管路工質(zhì)帶來的是驅(qū)動力，右邊帶來的是阻礙流動的力，兩者大小相等，方向相反。

表1 無散熱時(shí)重力對各支路流量分配影響Tab.1 Effects of gravity on the flow distribution of each branch without heat dissipation

當(dāng)輻射散熱量為40 kW 時(shí)，重力對流量分配影響見表2。由表2 可知，無論是否存在重力場，支路1～6 的流量依次減小，這是因?yàn)楣べ|(zhì)在支路流動時(shí)溫度不斷降低，黏度不斷增大，具體分析已在上文介紹；重力場加劇了流量分配的不均勻性，有重力時(shí)，支路1、2 的流量變得更大，支路3 基本無變化，而支路4～6 的流量變得更小。

表2 散熱量為40 kW 時(shí)重力對各支路流量分配影響Tab.2 Effects of gravity on the flow distribution of each branch when the heat dissipation is 40 kW

重力場對流量的影響是由溫度變化導(dǎo)致工質(zhì)密度變化引起的，全氟三乙胺密度隨溫度變化情況如圖9 所示，密度隨溫度增大而減小，且基本呈線性關(guān)系。支路1～6 沿程的工質(zhì)溫度變化情況如圖10所示，可以看到，支路1～6 出口的溫度依次降低。各支路兩側(cè)由于密度變化帶來的壓差ΔP由式（3）給出：

圖9 全氟三乙胺密度隨溫度變化情況Fig.9 Variation of the perfluorotrimethylamine density with the temperature

圖10 工質(zhì)沿程溫度變化Fig.10 Variation of the working medium temperature along the flowing direction

式中：ρ為出口溫度對應(yīng)的密度；ρ′為進(jìn)口溫度對應(yīng)的密度；h為兩支路之間高度差。

由于出口溫度低于入口溫度，因此出口工質(zhì)密度更大，由圖10 可知，離入口越遠(yuǎn)的管路，其支路出口溫度也越低，因此密度變化帶來壓差的ΔP也越大。支路1 不存在密度變化帶來的流動阻力增大問題。對于支路2，由于密度變化帶來的壓差ΔP2為

對于支路3，由于密度變化帶來的壓差ΔP3為

對于支路4，由于密度變化帶來的壓差ΔP4為

對于支路5，由于密度變化帶來的壓差ΔP5為

對于支路6，由于密度變化帶來的壓差ΔP6為

可見，對于密度變化帶來的壓差ΔP：ΔP6＞ΔP5＞ΔP4＞ΔP3＞ΔP2，即支路6 流量受其影響最大，流量減少最多，達(dá)到了4 L/h，而支路1 由于不存在密度變化帶來的流動阻力增大問題，流量增幅最大，達(dá)到了6 L/h，其流量也最大，為193 L/h。需要指出的是，流量的具體分配與密度變化所增加的流阻、原有流阻大小均有關(guān)系，規(guī)律是類似的。

對于每一條支路，本文分別計(jì)算了有重力和無重力時(shí)的流量差（Qwith，g-Qwithout，g），結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知，輻射散熱量分別為10 和20 kW時(shí)，由于工質(zhì)溫度變化不大，密度變化也小，各支路兩側(cè)由于密度變化帶來的壓差ΔP可以忽略不計(jì)，此時(shí)重力場對流量分配沒有影響。而當(dāng)回路散熱量增至30 和40 kW 時(shí)，此時(shí)工質(zhì)進(jìn)出口溫差大，如當(dāng)散熱量為40 kW 時(shí)，支路6 工質(zhì)進(jìn)出口溫差超過了100 ℃，此時(shí)各支路兩側(cè)由于工質(zhì)密度變化帶來的壓差ΔP就會導(dǎo)致流量分配不均，且隨回路散熱量增加會加劇流量分配不均的情況。

圖11 有重力和無重力時(shí)各支路流量差隨散熱量變化情況Fig.11 Variation of the flow difference with the heat dissipation with and without gravity

2.3 管路阻力特性影響

對于多支路并聯(lián)單相流體回路，如果因?yàn)榱髁颗淦焦ぷ魑醋龊没蚱渌驅(qū)е赂髦返墓苈纷枇μ匦圆煌?，此時(shí)如果工質(zhì)向外部空間進(jìn)行輻射傳熱，有可能會進(jìn)一步加劇流量分配的不均勻性，影響流體回路系統(tǒng)的安全性和可靠性。為此，本文首先基于總流量為900 L/h 進(jìn)行了管路阻力特性調(diào)整，使支路1～3 流量為130 L/h，支路4～6 流量為170 L/h，后將入口總流量改為200、400 和600 L/h，分別研究流體回路有輻射散熱和無輻射散熱時(shí)，6條支路的流量分配規(guī)律。

1）不存在輻射散熱。

表3 給出了流體回路與外部無熱量傳遞時(shí)管路阻力特性對各支路流量分配的影響，由表3 可知，隨著總流量的減少，6 條支路的流量均減小。

表3 無散熱時(shí)管路阻力特性對各支路流量分配影響Tab.3 Effects of the resistance characteristics on the flow distribution without heat dissipation

2）存在輻射散熱。

設(shè)定輻射散熱量為10 kW，存在重力場時(shí)，表4是仿真得到的6 條支路流量和出口溫度。對總流量600 和900 L/h 情況，有無散熱對流量分配沒有非常明顯的影響，因?yàn)榇藭r(shí)溫度變化引起的物性變化不明顯。對于流量為200 和400 L/h 情況，存在散熱使得支路1～3 的流量有明顯降低，這是因?yàn)楦髦妨髁枯^小，且輻射帶來的溫度降低明顯，對物性產(chǎn)生了很大影響。

表4 散熱量為10 kW 時(shí)管路阻力特性對各支路流量分配影響Tab.4 Effects of the resistance characteristics on the flow distribution when the heat dissipation is 10 kW

由表4 可知，流量為200 和400 L/h 時(shí)，支路出口溫度處于工質(zhì)黏度隨溫度劇烈變化的區(qū)域，因此溫度的較小波動也會使得黏度產(chǎn)生較大變化。支路1～3 流量相對支路4～6 流量更低，溫度也更低，因此支路1～3 的出口工質(zhì)黏度遠(yuǎn)高于支路4～6，從而導(dǎo)致支路1～3 的流量有明顯降低，而支路4～6 流量有明顯上升。因此，對于流阻特性不同的情況，要特別注意流阻大、流量小的支路，防止在相同輻射散熱量下，其溫度進(jìn)入黏度劇烈變化的區(qū)域，從而導(dǎo)致流量分配偏離設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

為提高大型多支路并聯(lián)流體回路系統(tǒng)的安全性和可靠性，本文基于夢天實(shí)驗(yàn)艙的6 條并聯(lián)流體回路建立了仿真模型，研究了外熱流、重力場以及管路阻力特性對流量分配的影響。

1）存在輻射散熱時(shí)，工質(zhì)溫度變化帶來的黏度變化會導(dǎo)致流阻變化，從而使各支路流量分配變得不均勻，表現(xiàn)為遠(yuǎn)離入口的支路流量會變小，而靠近入口的流量會變大；

2）當(dāng)外熱流變化導(dǎo)致回路輻射散熱量變大，以及存在重力場時(shí)，流量分配不均會更顯著，另外，重力場對流量分配的影響也隨著散熱量的增大而變得更顯著；

3）回路在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)都要避免工質(zhì)溫度進(jìn)入黏度劇烈變化區(qū)域，否則各支路流量很容易受外熱流、重力場以及管路阻力特性變化的影響，從而威脅航天器運(yùn)行安全。