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a m t e c 内毛细泵回路流动与换热机理研究 摘要 碱金属热电直接转换器( a l k a l im e t a lt h e r m a lt oe l e c t r i cc o n v e r t e r a m t e c ) 是利 用1 3 ”a 1 2 0 3 固体电解质对离子是良导体，对电子绝缘的特性的一种发电装置，具有转 换效率高、无运动部件等特点，是一项在太空和地面应用领域里很有前景的技术。 a m t e c 的功率不仅受到热端温度、冷端温度的影响，还受到毛细泵性能的影响。毛细 泵的通流性能直接影响转换器的效率，毛细泵性能的可靠性主要由发生在多孔芯蒸发器 的液态钠相变的热力学极限决定，因此研究毛细泵内流体流动与换热机理是很有意义 的。 本文建立了一个动力学和热力学耦合的二维轴对称数值计算模型，采用相位场方法 对气液界面进行捕捉，通过在方程中添加源项来模拟相变和毛细力。该模型可以较方 便求出毛细泵的压力场、速度场、温度场，可以较准确地追踪气液界面，并能解决了 气液界面处速度和压力的不连续问题。利用该模型模拟和分析了毛细泵的流动特性、 换热特性和可靠性等。 模拟结果表明，毛细泵流动性能随着平均孔径、孔隙率、温度、导热柱和蒸发器材 料热导率的增大而提高，随着电流和输运芯材料热导率的增大而降低；毛细泵的蒸发速 率随着蒸发器孔隙率、导热柱和蒸发器材料的热导率的增大而提高，随着输运芯孔隙率 和材料热导率的增大而降低；毛细泵的蒸发速率和热效率没有受到平均孔径的影响；毛 细泵热效率受蒸发器材料的影响较小，受输运芯材料的影响较明显，随着输运芯材料热 导率的的增大而降低；毛细泵临界孔径随着热端温度和电流的增大而降低，随着孔隙率 的增大而提高，但受到冷凝器温度的影响很小。 关键词：a m t e c ；性能；数值模拟 a m t e c 内毛细泵回路流动与换热机理研究 a b s t r a c t a m t e c ( a l k a l im e t a lt h e r m a lt oe l e c t r i cc o n v e n e r ) i sap o w e rs y s t e m ，w h i c hb a s e d o nb e t a ”a l u m i n as o l i de l e c t r o l y t ei sp r o p e r t i e so f ag o o dc o n d u c t o ro fi o n s ，b u tai n s u l a t o r o fe l e c t r o n s i th a sac h a r a c t e r i s t i co fh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yw i t hn om o v i n gp a r t s ，a n di s ap r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rt h es p a c ea n dt e r r e s t r i a la p p l i c a t i o n s t h ea m t e c c e l lp o w e ri s l i m i t e db vt h ec e l lh o ta n dc o l de n dt e m p e r a t u r e s ，a n da l s ol i m i t e db yt h ep e r f o r m a n c eo f c a p i l l a r yp u m p c a p i l l a r yp u m p f l o wc a p a c i t ya f f e c td i r e c t l yo nt h ep e r f o r m a n c eo fc o n v e r t e r e f f i c i e n c y , a n dt h ec a p i l l a r yp u m pr e l i a b i l i t y i sd e t e r m i n e dm a i n l yb yt h et h e r m o d y n a m i c l i m i t sw h e r ed h a s ec h a n g ec a no c c u r s oi ti si m p o r t a n tt os t u d yf l u i df l o wa n d h e a tt r a n s f e ri n t h ec a p i l l a r yp u m p aa x i s y m m e t r i c2 dg e n e r a l i z e dm a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lw a ss e tu p ，w h i c h i n c l u d e sc o u p l e dh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s si nt h ec a p i l l a r yp u m p ，t h ep h a s ef i e l d m e t h o di su s e do nt r a c k i n gl i q u i d v a p o ri n t e r f a c ea n dt h es o u r c et e r m s a r ea d d e di nt h e c o n t i n u i t ye q u a t i o n ，m o m e n t u me q u a t i o n a n de n e r g ye q u a t i o nu s e dt o s i m u l a t et h e p r o c e s s e so fd h a s ec h a n g ea n dt h ec a p i l l a r y f o r c e s t h ep r e s s u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n d t e m d e r a t u r ef i e l dc a nb ee a s i l ys i m u l a t e d ，a n dt h en o e o n t i n u o u sv e l o c i t ya n dp r e s s u r e i n l i q u i d v a d o ri n t e r f a c ec a nb eo b t a i n e da n ds o l v e dp r e c i s e l y w i t h t h i sm o d e l ，c h a r a c t e r i s t i c so f f l u i df l o wh e a tc h a n g e ，a n dr e l i a b i l i t y , w h i c hr e v e a lo p e r a t i o n a lm e c h a n i s mo fc a p i l l a r yp u m p ， w a ss i m u l a t e da n da n a l y z e da n ds oo n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ec a p i l l a r yp u m pf l o wp e r f o r m a n c ei m p r o v ew i t h 1 a g e rt h ep o r es i z e ，p o r o s i t y , t e m p e r a t u r e ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y o ft h ec o n d u c t i o ns t u da n d e v a p o r a t o rm a t e r i a l ，a n dd e c r e a s i n gt h ec u r r e n ta n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft r a n s p o r ta r t e r y t h ee v a p o r a t i o nr a t eo ft h ec a p i l l a r yp u m pi n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n gp o r o s i t yo f e v a d o r a t o rw i c k ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h ec o n d u c t i o ns t u da n de v a p o r a t o rm a t e r i a l ，b u t d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dp o r o s i t yo ft r a n s p o r ta r t e r y t h ep o r e s i z eh a sn oa f f e c to nt h ee v a p o r a t i o nr a t ea n dh e a te f f i c i e n c y t h ee v a p o r a t o rm a t e r i a lh a s l i t t l ea f f e c to nt h et h e r m a le f f i c i e n c yo fc a p i l l a r yp u m p ，b u tt h et r a n s p o r ta r t e r ym a t e r i a lh a s o b v i o u sa 虢c to nt h et l l e m a le f f i c i e n c yo fc a p i l l a r yp u m p ，t h el a g e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f i t ， t h eh i g h e rt h e r m a le f f i c i e n c yo fc a p i l l a r yp u m p t h ec a p i l l a r yp u m pc r i t i c a l s i z ed e c r e a s e s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 w i t ht h ei n c r e a s i n gh o te n dt e m p e r a t u r ea n dc u r r e n ta n dd e c r e a s i n g p o r o s i t y , b u t t h e c o n d e n s e rt e m p e r a t u r eh a sm u c hs m a l l e ra f f e c to ni t k e yw o r d s ：a m t e c ；p e r f o r m a n c e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 碱金属热电直接转换器( a m t e c ) 是种直接将热能转变为电能的装置，它是一 项新型的能源转换技术。a m t e c 具有无污染排放、无运动部件、高功率密度、闭式循 环、可以无故障长时间稳定运行等特点。碱金属热电直接转换器的应用场合非常广泛， 它可以应用于太空动力系统、水下动力、工业发电、混合汽车动力等领域，可以应用太 阳能、汽车和锅炉的尾气余热、放射性同位素衰变能等作为热源发电。目前世界多国已 经纷纷展开对碱金属热电直接转换技术的研究，并取得很好的进展。碱金属热电直接转 换器技术具有广阔的发展前景，尤其是在太空动力领域具有十分巨大的潜在优势，因此 研究碱金属热电直接转换技术具有非常重要的意义和价值。 碱金属热电直接转换器的热电转换效率理论上可以达到4 0 ，并且能够在1 5 3 0 效率情况下长时间提供稳定的能量转换。大多数这些装置在温度接近或高于1 1 0 0 k 并使 用电磁泵来提供钠工质循环所需的动力情况下运行时可以达到很高的效率。有研究学者 提出用毛细结构代替电磁泵把液态工质钠从冷凝区域输送到高温区【lj 。但是目前研究试 验的a m t e c 的效率只有15 - 2 0 ，碱金属热电直接转换器整体的效率受到许多方面的 影响，如毛细泵性能、辐射热损失、b a s e ( b e t a ”a l u m i n as o l i de l e c t r o l y t e ) 管性能、电 极效率、冷端温度和热端温度等，其中毛细泵的性能是影响碱金属热电直接转换器的主 要因素之一。毛细泵主要由多孔介质构成，多孔介质的微小孔径可以达到微米或亚微米 级，当钠流体流经多孔介质时，由于流体表面张力的存在，就会在多孔介质中产生很大 的毛细力，液态钠在该毛细作用力下，从a m t e c 冷凝器输运到蒸发器。a m t e c 装置 工质钠循环的动力是靠毛细泵来提供的。 毛细泵的性能主要受到多孔介质几何参数、固体骨架材料、热端和冷端温度、电流 等的影响。一旦毛细泵失效，就不能给a m t e c 工质钠提供足够的循环动力，以致于 a m t e c 不能稳定地工作。a m t e c 装置的整体效率直接受到毛细泵性能好坏的影响， 在运行状况发生变化的情况下，毛细泵有可能发生断流、烧干等而失效。毛细泵特殊的 多孔介质结构导致了液态钠在毛细泵内的流动形式变得非常复杂，它耦合了流体流动、 传热传质以及相变等过程。要想a m t e c 稳定地且在高效率情况下运行就必须提供高性 能的毛细泵。因此研究毛细泵流动与换热机理具有一定的意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2a m t e c 应用概况 1 9 6 7 年y a o 和k u m m e r 研究提出氧化铝的钠离子扩散性和导电性很高，于是人们 开始着手研究高离子导电性电解质，1 3 氧化铝作为能量电池的电解质，具有着非常重要 的作用。b ”氧化铝电解质具有承载钠离子交换的能力，这种特点是独一无二的【2 j 。 1 9 6 8 年福特汽车公司首次提出了a m t e c 技术的概念，并获得了专利，他们使用了 b ”氧化铝陶瓷作为固体电解质。上世纪7 0 年代福特公司开始对a m t e c 基础理论展 开研究，并且建立了单管实验装置，该实验装置具有回路循环能力。该装置利用碱金属 钠作为循环工质，并且在热端温度和冷端温度分别为1 0 3 7 k 和4 7 3 k 的情况下，实现了 1 9 的热电转换效率。随后福特公司又对多管的a m t e c 热电转换装置进行理论优化设 计，并于1 9 8 7 年对多管a m t e c 装置进行实际设计和实验测试。该a m t e c 在热端温 度为1 0 7 3 k 时，功率可以高达1 1 4 w 。到了9 0 年代，设计的电池模块由3 6 根b a s e 管 组成，当热端温度仅在1 0 1 9 k 时，运行所能达到的总功率就可达5 0 0 w 【3 j 。 喷气推进实验室( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y j p l ) 在上世纪8 0 年代开始对碱金属热电 转换技术进行研究并加以判断其在航天应用领域上具有潜在的优势和可能性，从此以后 人们把a m t e c 技术应用领域主要放在了太空动力系统方面【4 j 。随着a m t e c 技术不断 地完善和发展，它的性能、稳定性和寿命等都得到很大的提高，体积和质量都越来越小。 p x 3 a 型a m t e c 是典型的质量小占地小的转换器。 人们不仅制造、测试多管液阳极的a m t e c 发电系统，还制造了多管气阳极的 a m t e c 发电系统，美国计划在冥王星快速通道和木卫二探测项目中应用这种新型的能 源转换动力系统来提供电源。自二十世纪九十年代以来，以美国和日本为首的全球强国 纷纷加入到a m t e c 发电装置的研究和设计制造中。世界各国的国防部门以及工业领域 开始观注a m t e c 的应用，其中主要致力于该项技术的研究发展工作的机构组织有美国 的德克萨斯州立大学、j p l 、先进模块电源系统f a d v a n c e dr a d i o i s o t o p ep o w e r s y s t e m a m p s ) 公司、中部电力株式会社以及日本九州大学工程学院化学科学技术系等。 a m t e c 可以应用到很多方面，比如太空电源、余热发电、太阳能发电、深海动力电源 系统、偏远地区野外作业用电源和联合循环等。 近年来，人们在发展a m t e c 自身技术的同时，也开发了其它动力系统与a m t e c 联合使用的综合能源利用系统。人们开始着手开发了太阳能与a m t e c 、核反应热源与 a m t e c 等联合动力系统，这样可以提高了能源的利用率，a m t c 技术的开发越来越广 第1 章绪论 泛，越来越成熟。 轨道科学公( o r b i t a ls c i e n c e sc o r p o r a t i o n o s c ) 开发了通用热源( g e n e r a lp u r p o s e h e a ts o u r c e g p h s ) 与a m t e c 联合发电系统，把g p h s 模块作为a m t e c 电池的热源 发电，这种发电模块的优点在于可以实现a m t e c 电池组的串联、并联和串并联，这样 可以避免某个电池损坏带来的电路中断以及满足功率匹配和需求。 k o t a r ot a n a k a 初步分析和设计了a m t e c 与以太阳能为热源的联合发电系统，它具 有转化效率高、维护方便、紧凑轻便等优点，在这个系统中，气阳极a m t e c 的热量来 自太阳能，大约1 0 k w ，他分析和计算了此a m t e c 所需的热量，还对系统在两种工况 下运行进行了分析，即最大效率和最大输出功率工况【5 j 。结果表明，系统在热端温度为 1 0 0 0 k 情况下运行时获得最大效率，即实现了a m t e c 系统2 7 的转换效率和1 9 的总 系统效率，输出功率为1 0 3 k w 。由此可以看到a m t e c 一太阳能联合发电具有很大的先 进性，获得比较高的a m t e c 系统效率，该研究表明，未来很有可能实现利用a m t e c 的技术和方法为人类提供高效电能。 此外西屋电气公司与美国能源部核能研究所研究开发了a m t e c 与液态金属反应 堆、废热的联合应用，实现了充分利用废热，阶梯利用能量，他们还设计出了l m r a m t e c 联合系统，并对其进行性能分析和评估。 “卡西尼”航天器使用放射性同位热源作为碱金属热电转换器( a m t e c ) 的热源 进行发电来执行探索太阳系任务，价格昂贵，安全可靠性不够高，但性能稳定、作用可 靠。 1 3a m t e c 研究概况 1 3 1国外方面 在a m t e c 的性能分析方面，t e r r yj h e n d r i c k s 利用s i n d a f l u i m 建立了传热、流动、 电流等相互耦合的a m t e c 模型【6 】。结果表明，该模型可以较好地模拟分析a m t e c 在 各种工况参数下运行时的主要性能，这些不同工况参数通常有冷端和热端温度、电流电 压和电池设计等。他分析了a m t e c 内各个部件间相互耦合的热辐射和导热性能，并且 对b a s e 管上发生的电化学过程( 比如电极过电压等) 进行了详细地分析，模拟了低压 腔内钠蒸气的流动以及液态钠在毛细芯多孑l 介质中的流动特性，以及在冷凝器的冷凝和 毛细芯内的蒸发情况，该模型可以预测a m t e c 电池内的温度分布。他还分析了工质钠 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在a m t e c 内的压力损失模型以及整个装置的效率和影响因素。 在压力损失分析方面，t o u r n i e r 和g e n k t 构造了一个压力损失模型，并且应用 d u s t y g a s 模型描述了多管气阳极带有v 型辐射罩的a m t e c 的气态钠在低压腔中的流 动和换热特性，他还分析了大压力变化情况下钠蒸气流动的流动状态。结果表明，钠蒸 气在低压腔中的流动处于分子流与连续流之间的过渡流，v 型罩对气态钠在低压腔中流 动的压力损失产生了很大的影响，压力损失占据总压损失的一半。他还对圆锥v 型辐射 罩的几何结构等进行了优化，最小化了流体的压力损失【7j 。 在热分析方面，i v a n e n o k 等人建立了一个比较全面的a m t e c 装置的热分析模型， 并发展了有线差分模型和集中节点模型【8 j 。他假设节点表面为漫射、灰色、等温以及沿 着表面辐射强度均匀，用m o n t e 方法来计算有限差分模型的视角系数，采用封闭形式方 法计算集中节点模型的辐射视角系数，固定电池壳体的节点温度并耦合了热辐射和热传 导，该热模型参数主要包括电池几何参数、表面特性、冷凝器和b a s e 管等，他提出的 集中节点模型和有限差分模型与实验测的电池温度基本相符合。i v a n e n o k 等人对集中节 点模型进行改进，用单管a m t e c 来模拟多管a m t e c 。 在a m t e c 热辐射分析方面，w e b e r 等人使用了简化的辐射模型来验证了b a s e 与 同轴的冷凝器之间的辐射屏蔽的热损失效果【9 j 。结果表明，对于反射率不高的冷凝器， 热损失得到显著减少。s p a r r o w 和g r e g g 等人对不同发射率电池壳体的辐射热损失进行 研究，计算了壳体在不同辐射率时的总热传导率1 1 。结果表明，最小局部热流量发生在 沟槽中间的底部，最大的局部热流量则发生在深腔和浅腔中间的底部。 在a m t e c 热导率研究方面，b l a c k 和s c h o e n h a l s 等做了大量的实验，他们的研究 表明，v 型槽结构能显著改变平行和对称板间的热传导性能。他们发现，特定设计的v 型槽结构的传热率受到固有定向特性的影响很大【1 1 1 。 1 3 2国内方面 中科院电工研究所和上海硅酸盐研究所于1 9 9 4 年在国内率先对a m t e c 技术，并 以碱金属作为工质进行研究。他们在a m t e c 试验件和工艺设备的设计和加工方面取得 了显著进展，分别设计和研究了b a s e 组件、多孔电极的制备、集流栅等关键部件，在 工质循环技术、单体封接、电极密封等技术方面取得了突破，并对整个a m t e c 进行了 结构设计和测试，使我国在a m t e c 技术的设计和研究方面迈出了重要的一步。 4 第1 章绪论 潘贤德等人对a m t e c 的热力学性能进行了数值分析，他建立的两相流v o f 模型 能够较好地模拟了a m t e c 内的热力学特性【12 1 。他在数值模拟过程中考虑了液态钠的流 动与相变、能量的转换、壳体导热和辐射等对a m t e c 热力性能的影响。他对蒸发区域、 两相的体积分数和a m t e c 性能的影响因素进行分析，并得出在不同情况下运行时 a m t e c 内的压力、温度和速度分布以及a m t e c 的总转换效率等。 邓顿等人对a m t e c 内热辐射过程进行理论分析，建立了a m t e c 几何模型和辐射 传热数学模型，采用迎风差分格式对控制方程进行离散，并采用d o 模型对a m t e c 的 辐射换热特性进行计算模拟。结果表明，电池壳体、b a s e 管等的温度分布受到遮热罩 材料和安装角等的影响【1 3 】。 1 4 毛细泵研究概况 随着航天和太空对热控技术的要求越来越高，常规的热控技术很难满足较高的要 求，于是，人们开始关注毛细泵回路技术。美国等航天大国认为毛细泵回路技术是未来 性能最优良的航天器热控技术，并投入了大量的研究工作，开始着手对理论模型进行分 析、随后又对高效多孔介质进行试验研究与制造。毛细泵作为a m t e c 动力源的研究还 非常少，主要集中在美国等航天大国，有关a m t e c 内的毛细泵研究报道甚至几乎没有， 国内对a m t e c 内毛细泵的研究更是一片空白，基本的技术还尚未攻破，目前还处于理 论研究和数值模拟阶段。 1 4 1国外方面 k u 和k r o l i c z e k 等人建立了两套常用的工程应用模型，以液态氨为循环工质，具有 较高的换热能力【1 4 】。一些研究机构甚至提出机械泵与毛细泵联合系统来适应大功率热控 系统的要求，这种联合毛细泵的热控装置可能成为航天器大功率的热控系统。通过一些 实验表明毛细泵系统具有独特的性能和优点，如被动式温控性能精确、重启性能很好等， 但毛细泵回路系统也具有一些值得进一步研究和实践的地方，如速度和压力的波动、容 易失效等。 上世纪末，毛细泵回路技术得到了大力研究和发展。1 9 9 9 年美国航空航天局 ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n s t r a t i o n n a s a ) 在航天器上最早采用的毛细泵回路 系统运行良好”】。之后n a s a 又继续把毛细泵回路系统作为温控系统运用到航天器上， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 0 0 2 年在哈勃太空望远镜( h s t ) 上的n i c m o s 传感器运用了一个毛细泵回路系统， 宇宙飞船上也将会采用多个蒸发器的并联毛细泵回路温控系统i l 6 l 。 k u 和k e h a l l i n a n 等人对蒸发器进行可视化研究，前者结果表明，流体在蒸发器内 的流动影响压力波动，而后者则认为引起压力波动的主要原因不是流体的流动状况而是 蒸发管路的形状【1 4 】。m u r a o k a 将管式冷凝器改成多孔毛细芯冷凝器，多孔毛细芯可以降 低压力和温度的波动，在一定程度上保证气液界面的稳定【17 | 。实验结果表明，多孔毛 细芯不仅可以降低压力等的波动，还可以获得较理想的传热性能及传输距离，减少了毛 细泵系统失效。 c a o 基于连续介质理论建立了一个三维模型对毛细泵进行数值模拟，对多孔介质区 以及非多孔介质区进行分析计算【1 引。但该毛细芯模型仅应用于多孔介质孔隙中均填充满 流体，流体的相变界面没有浸入到毛细芯内部的情况。 f i g u s 等发展了多孔网络结构模型，基于饱和多孔介质渗流理论对毛细芯多孔介质 内的流动与传热传质过程进行计算分析，他们把饱和多孔介质划分为两个区域，即饱和 的液相区域和气相区域。该模型可以预测流体在多孔毛细芯中流动与相变过程，并且还 可以预测液体的蒸发锋面以及多孔介质中流体表面张力作用下形成的指状分形界面【l 圳。 该模型结果表明，温度随着热负荷的增大而增大，气一液界面则随着负荷的增大而浸入 多孔毛细芯内部，但几乎没有受到有效热传导系数的影响。 f a g h r i 等发展了混合数学模型，该模型考虑了蒸气槽道的三维蒸气流动、二维对流 换热和蒸发器支座的二维传热，比较二维和三维模型得出，对于大部分工质，二维模型 就可以模拟出比较准确的结果【2 0 1 。他们首先对压力方程和热传导方程通过分离变量法进 行求解，再对温度进行一阶近似解修正，最后得出毛细芯区域中二维近似解，但该模拟 结果只在相变没有浸入多孔介质内部的假定下才合理。 1 4 2 国内方面 国内2 0 世纪8 0 年代开始对毛细泵系统进行研究。曲伟、侯增祺等人对毛细泵回路 的性能进行实验性测试，验证了流体在该多孔介质内的流动与换热特性f 2 l 】。他们还对毛 细泵回路技术在太空设备热控方面的可行性进行论证，促进了我国对毛细泵回路系统的 研究和发展。 刘伟、黄晓明等采用流体体积函数法( v o f 模型) 建立数学模型，对平板式c p l 第1 章绪论 系统的毛细蒸发器和冷凝器进行理论计算和模拟口2 1 。他们基于n s 方程，对冷凝器中蒸 气和液体的流动状况进行模拟，并算出气液界面的位置以及分析换热性能的影响因素。 他们还引入场协同理论对毛细蒸发器的传热传质特性进行分析，并在不同几何结构与材 料参数下对蒸发器进行数值模拟，达到了毛细泵回路系统蒸发器优化设计的目的。 钱吉裕、李强等人在建立了毛细蒸发器多孔介质内非稳态情况下流体的流动和换热 特性数值模型【2 3 1 。该模型通过焓模型的方法来处理液体在多孔毛细- 心t - p 中的气化问题，通 过添加源项来考虑气液界面产生的毛细力，并进行分区计算。结果表明，该模型既能 很好跟踪气一液界面又能很好地体现毛细泵回路的运行原理，并说明了毛细力是整个系 统运行时的驱动力。 牟其峥等人建立了蒸发器的二维模型，该模型能够较好地模拟流体在其内的流动过 程，联立求解能量方程可以较准确地得到了速度场、压力场和温度场，获得的结果与实 验数据相比，有较好的一致性【2 4 之5 1 。俞平等建立了一个非稳态的数学模型，该模拟可以 描述温度场和压力场，在稳态工况下具有较好的准确度，模拟结果与实验数据有较好的 一致性 2 6 】。 任川等建立了一个二维轴对称的蒸发器数学模型，对稳态和非稳态工况下进行数值 模拟【27 1 。该模型具有对流、传热和蒸发过程，过热相界面、相界面位置和毛细力的分布 等。结果表明，稳态工况下的蒸发状态主要为带状，液体气化发生在气液界面的所有 地方，但相变的速率以及界面的过热度存在大小之分，温度越高，过热度越大，蒸气越 容易侵蚀蒸发器。 马正军等人模拟了工质在a m t e c 内毛细蒸发器的流动和传热传质过程，他建立了 流体体积函数( v o f ) 的二维轴对称模型，并采用s i m p l e 算法耦合压力和速度对蒸发 器内金属液体的流动、传热传质进行了模拟【2 8 】。结果表明，蒸发区域由液相、气相和气 一液共存的区域组成，并指出越靠近蒸发器壁面，蒸发的强度越大。他还详细地分析了 边界条件、多孔介质材料等对毛细蒸发器的影响。他指出气体侵蚀毛细蒸发器的程度受 到热负荷的影响，最佳热流密度受到了毛细泵中多孔介质基本参数和冷凝器温度的影 响。气一液界面的位置受到多孔介质参数( 孔隙率和平均孔径等) 、冷凝器液体过冷度等 的影响；压力损失则主要受到重力、多孔介质的平均孔径等的影响。 张宝玲等人对多级毛细泵建立一个二维轴对称模型，他采用相位场方法来模拟多级 毛细泵内的两相流，并在方程中增加源项来模拟液体钠的相变过程，模拟了a m t e c 内 哈尔浜工程大学硕士学位论文 多级毛细泵中工质的流动与换热特性【2 9 1 。结果表明，蒸发器存在最大热流密度，当热端 的热流量超过最大热流密度时，气液界面会向输运段移动从而导致了毛细泵的失效， 他还对多孔介质材料结构参数等对气液界面的位置的影响进行分析，指出材料结构参 数等对气液界面的影响程度相对于对通流性能的影响程度要小很多。 张松等人对a m t e c 内毛细泵的压力损失、通流能力和整体性能等进行了分析 。 他建立了a m t e c 的多孔冷凝器分析模型，采用u d f 加载源项的方法模拟冷凝器内钠 的冷凝过程，并采用此模型分析了多孔冷凝器的变工况特性和启动特性。他还建立了多 孔毛细芯在不发生相变的情况下的通流特性，并且对毛细芯通流性能的影响因素进行分 析。 1 5 本文主要研究内容 本文的主要研究内容是建立了一个二维轴对称数值计算模型，采用相位场方法对气 液界面进行捕捉，通过在方程中添加源项来模拟相变和毛细力。利用该模型求出毛细 泵的压力场、速度场、温度场，并较准确地追踪气液界面，解决了气- 液界面处速度和 压力的不连续并且分析了毛细泵的流动特性、换热特性和稳定性等的影响因素，数值结 果对毛细泵的理论优化设计具有一定的指导意义。 第2 苹毛细泵的工作腺理与特性 第2 章毛细泵的工作原理与特性 自从发电机成熟地运用到商业上，电力已是人类最重要的能源之一，全球工业和经 济的发展也驱动着电力产品的需求。从其他形式的能源转换为电能的主要方法通常有动 态转换和静态转换这两种。在动态转换过程中，机械能首先以机械部件的运动形式产生， 比如涡轮机轴，然后这些机械能通过电磁发电机转变为电能。静态转换则是在没有机械 运动部件的情况下产生电能。在早期众多的发电机中，动态转换是唯一使用的方式，现 在也仍然得到广泛应用。然而，静态转换系统在近年来得到比较重视，采用的一种新型 的静态能源转换系统就是a m t e c 。 目前a m t e c 装置已经应用到宇宙与地球领域中，它给宇宙飞船的电子设备提供电 力。例如n a s a 使用a m t e c 装置作为先进同位素衰变动力系统( a d v a n c e dr a d i o i s o t o p e p o w e rs y s t e m a i 冲s ) 规划的太空动力系统，使用g p h s 来给a m t e c 装置加热并把余热 排到太空。a m t e c 装置也可以在偏远地区使用燃烧热源作为发电机等。 2 1 a m t e c 工作原理与主要部件 2 1 1 a m t e c 工作原理 a m t e c 装置是一种直接实现热电转换的发电装置，它的工作原理如图2 1 所示。 a m t e c 常采用钠作为工质，液态钠在蒸发器表面被加热蒸发成蒸气，钠蒸气这时通过 高温端的高压腔流到b a s e 管内。b a s e 管具有非常高的离子传导性，但电子传导性却 很差，这样钠离子可以穿过b a s e 管但电子不能。b a s e 管的低压( 外) 侧和高压( 内) 侧均覆盖有多孔电极。结果使钠离子通过b a s e 扩散，这个过程几乎是绝热扩散，电子 通过连接b a s e 管内外表面的外部负载从b a s e 管内表面迁移到外表面与钠离子重新中 和成钠原子，电子通过外部负载的流动就形成电流。中和的钠原子在b a s e 管外侧吸热 脱离，并流动到a m t e c 装置低温端，当这些钠蒸气流动到位于低温端的冷凝器表面时 就冷凝成液态钠，并且释放冷凝潜热，经冷凝器排放到大气或太空中。液态钠在蒸发器 多孔结构的毛细驱动下从冷凝器流动到蒸发器，这就完成一个热力学循环过程。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 2 1 2a m t e c 主要部件 冷凝器 毛细泵 低压腔 高压腔 1 b a s e a m t e c 装置的一个关键部件是b a s e ，它是一种离子传导体，其离子传导性非常 高而电子的传导性几乎为零【3 。钠b a s e 是一种陶瓷材料，其化学式为 n a 5 ，3 l i l 3 a 1 3 2 3 0 1 7 。b a s e 有高达约2 5 2 6 k 的熔点温度，在温度低于1 3 0 0 k 时基本不跟 碱金属发生反应【3 2 1 。在a m t e c 内，很薄的b a s e 管把a m t e c 分为高压腔( 高压区) 和低压腔( 低压区) ，高压腔内充满钠蒸气，温度为( 9 0 0 1 3 0 0 k ) ，压力为( 2 0 - 1 0 0 k p a ) ； 低压腔温度为( 4 0 0 7 0 0 k ) ，压力为( 1 0 0 p a ) 3 3 1 。 b a s e 管结构与原理如图2 2 中的( a ) 、( b ) 所示，在b a s e 管的内侧和外侧表面都涂 第2 章毛细泵的工作原理与特性 有多孔金属膜电极，这些金属膜由直径为o 1 0 3 岬的小尺寸颗粒组成，这两个电极提供 了电子通过外部负载传导的路径。当一个新的循环启动时，钠首先进入a m t e c 高压腔， 钠在b a s e 管的高压侧电离，这样在高压腔与低压腔适当的压差条件下，钠离子可以从 b a s e 管壁穿过而电子和钠原子却不能。当中性钠原子在b a s e 管内表面电极( 阳极) 电离产生电子时，钠离子在给定的压差条件下甚至在电场迟滞下穿过b a s e 管壁，形成 的钠离子在b a s e 管外表面( 阴极) 与被从外部负载回路返回的电子中和。因此压差驱 动着电子在外部负载回路的流动形成电流。 阳掇寨兜器 阴缀集电器 叠。- - x l ：o , 阳掇导线 阴极导线 ( a ) b a s e 结构示意图 多孔电摄 ( 阳极) 图2 2b a s e 结构与原理图 负载 b a s e 多孔电擐 ( 阴极) ( b ) b a s e 原理图 2 毛细泵 有些早期的a m t e c 装置采用电磁泵来循环工质钠，从而保证装置的稳定发电，但 是采用电磁泵势必降低了整个装置的热电转换效率。因此，最近的a m t e c 装置中大多 采用毛细泵来提供工质钠循环的动力。毛细泵能够利用毛细力自发的传输液态工质，为 工质循环提供动力，从而在一定程度上提高了整个a m t e c 装置的转换效率。 毛细泵的结构如图2 3 所示，主要包括输运芯、输运芯壳体、蒸发器、蒸发器壳体 和导热柱。蒸发器和输运芯均为多孔介质，是液态钠的回流干道，输运芯壳体主要起到 防止液态钠蒸发到低压腔中，蒸发器支座主要起到支撑和热传导的作用，导热柱主要是 为了加强热传导而设计的附属结构，其材料通常为高导热金属或金属合金。 蒸发器表面形状影响着压力损失、温度分布、蒸发速率以及系统性能，因此许多研 究学者设计了不同形状的蒸发器，最典型的蒸发器如图2 4 所示的锥面蒸发器。锥面蒸 发器的表面积比平面蒸发器大，因此当热流量较小时，蒸发器多孔介质区处于液体饱和 状态，此时的锥面蒸发器由于表面积较大而获得比较大的蒸发流量，当热流量比较大时， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 导热柱和蒸发器支座传递过来的大部分热量传递到锥面的底部，气液界面进入到了多 孔介质内部，此时总气液界面面积减小，蒸发流量在一定程度上得到了控制，但是锥 形蒸发器液态钠的流道比较长，压力损失也就比较大，另外，锥面蒸发器的表面温度比 较不均匀，在气液界面上出现蒸发的同时也很可能有钠蒸气的冷凝。由此可见，锥形 蒸发器有较好的蒸发白调节能力，但稳定性较平面蒸发器低；平面蒸发器结构简单，稳 定性较好，但蒸发自调节能力较差，蒸发流量受到温度的影响较大。 图2 3 平面蒸发器毛细泵 图2 4 锥面蒸发器毛细泵 2 2 a m t e c 性能分析及模型 a m t e c 与光伏发电、温差发电、斯特林发动机以及其他相似尺寸的发电系统相比 具有潜在的优良性能【3 4 。最佳a m t e c 装置性能受到热端温度、毛细蒸发器性能和电极 性能的限制。为了提高a m t e c 装置性能，a r p s 计划使用难熔金属作为装置壳体材料 来允许装置热端温度达到1 0 0 0 。c 时材料都不会发生软化。另外，先进电极的创作也能提 高装置效率。 实验测试表明，大多数a m t e c 装置受到毛细泵性能的限制。比如，a p r s 计划要 求的a m t e c 装置寿命测试中，a m t e c 装置需要在热端温度为9 2 5 。c 的情况下运行5 0 0 小时并保证能持续发电，然而在测试中有些装置因为毛细泵的原因导致失败。m u s s i 和 第2 章毛细泵的工作原理与特性 g i g l i or 2 0 0 ) 报道了e p x 一1 装置在9 2 5 。c 的热端温度下没有产生电，但是当热端温度减 小到8 0 0 。c 时就又能产生电【3 5 】。e p x - 一2 装置通过提高了毛细泵设计就可以在热端温度 为9 2 5 的情况下成功地产生电，然而当它的热端温度提高到9 7 5 。c 时就没有产生电了。 这些失败表明，毛细泵运行不仅受到毛细泵的限制，还受到多孔结构中气一液热平衡条 件的影响。 a m t e c 的工质选择是非常重要的，锂不能用做高温应用，钾有更低的表面张力和 更低的运动粘度，还正处于实验努力阶段，只有钠在当前是可行的。 2 2 1 性能分析方法 精确详细地分析a m t e c 电池是非常复杂的，因为需要联立求解热、流体流动和电 模型。，如图2 5 可以看到，这些分析是相互依赖的，三种分析中的每一种都需要另外两 种的结果。 ： 垂多一( 三) 图2 5 相互依赖的分析 耦合分析更加复杂，因为相互依赖性是没有在可以由一组联立代数方程求解的单值 变量之间，再者，在一些轴向变化的分布函数之间存在相互依赖。尤其是求解电池温度 分布，需要知道通过b a s e 管壁钠流量和沿管长方向输出功密度的分布。类似的，求解 其中一者则需要增大另外两者的分布。这些相互依赖的分布函数不能通过联立代数方程 简单求解，需要通过更加复杂的过程来求解耦合微分和积分方程。 最初，o s c 尝试把所有相关的关系式合并为一个简单方程来描绘所有变化的变量， 但是这个很快地导致一个非常复杂的二阶积分方程，这个二阶积分方程式完全难以求 解。因此，数值求解应将用到任何情况，o s c 决定采用联立耦合数值求解基本微分和积 分方程，而不使用浮夸的联立方程。为了解决这些耦合问题，o s c 开发了一个迭代计算 机程序，这个程序继续迭代直到系统收敛于一个致的解。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 a m t e c 性能分析模型 发展a m t e c 性能分析模型需要考虑定义模型所需要的有效的设计工具，最重要的 是模型必须能够预测转换器在规定的运行参数比如温度、电流和设计参数如结构和材料 属性情况下的功率输出。a m t e c 转换器模型另一个重要的预测是能量转换效率，其它 的一些转换器性能也可以认为是重要的，因此模型需要以模块形式创建，它的部件可以 根据需要移动、添加或修改，这对于作为a m t e c 转换器主要部件的b a s e 管组件尤为 重要。 一个综合的a m t e c 装置模型是设计和评估a m t e c 装置性能的合适方法，当预测 a m t e c 性能时有一些主要的运行方面