(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111486969.0 (22)申请日 2021.12.07 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 王成龙　张泽秦　田智星　郭凯伦　 张大林　秋穗正　苏光辉　田文喜　 (74)专利代理 机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人 何会侠 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) F28D 15/02(2006.01) F28D 15/04(2006.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种碱金属热 管冷态启动三阶段计算方法 (57)摘要 一种碱金属热管冷态启动三阶段计算方法， 1、 确定碱 金属热管几何参数及边界条件； 2、 划分 计算控制体并设置计算初始条件； 3、 计算碱 金属 热管管壁控制体的温度变化率， 视为纯导热； 4、 计算碱金属热管吸液芯控制体的温度变化率， 忽 略工质流动， 视为纯导热； 5、 根据碱金属热管吸 液芯最外侧节点温度判断热管启动阶段； 6、 根据 启动阶段不同， 计算碱金属热管蒸气区控制体的 温度、 速度、 密度、 压力、 含气率； 7、 用Gear算 法求 解方程组， 完成当前时间节点计算； 8、 校核热管 传热极限， 更新碱金属热管传热量； 9、 根据新的 传热量， 重复步骤3 ‑8， 直到达到设定的总时间步 数。 本发明为针对碱金属热管冷态启动的瞬态计 算， 为碱金属热 管的工程应用提供建议与指导。 权利要求书5页 说明书11页 附图2页 CN 114154438 A 2022.03.08 CN 114154438 A 1.一种碱金属热 管冷态启动三阶段计算方法， 其特 征在于： 步骤如下： 步骤1： 确定热管的几何尺寸、 工作介质、 管壁材料、 吸液芯材料、 吸液芯结构以及蒸发 段和冷凝段的边界条件； 蒸发段采用第二类边界条件， 给定热流密度， 冷凝段采用第三类边 界条件， 给定对流换 热系数； 确定计算的单步时间步长及总步数； 步骤2： 划分热管控制体， 轴向上沿蒸发段划分e层控制体， 绝热段划分a层控制体， 冷凝 段划分c层控制体， 径向上沿热管管壁划分w层控制体， 沿热管吸液芯划分p层， 沿蒸气空间 划分1层； 对划分得到的控制体进行参数初始化， 控制体温度设置为启动初始温度； 步骤3： 计算热管管壁区域的温度变化率 在热管管壁区域建立二维导热方程， 其控 制方程如下： 该式中： Tw为热管管壁区域的温度， t为时间， Cw为热管管壁区域的体积热容， kw为热管 管壁区域的导热系数， r为热 管径向方向， z为热 管轴向方向； 控制方程(1)的边界条件为： 蒸发段： 绝热段： 冷凝段： hAc(Tw‑Tsur)＝Qc    (4) 该式中： Ae为热管蒸发段面积， Ac为热管冷凝段面积， Qe为蒸发段加热功率， Qc为冷凝段 冷却功率， h为冷凝段外表面对流换 热系数， Tsur为环境温度； 步骤4： 计算热管吸液芯区域的温度变化率 由于热管吸液芯内流速很慢， 忽略吸液 芯中工质流动， 将热管吸液芯区域视为静止液体工质与固体丝网组成的混合固体， 在热管 吸液芯区域建立 二维导热 方程， 其控制方程如下： 该式中： Tp为热管吸液芯区域的温度， Ceff为热管吸液芯区域的等效体积热容， keff为热 管吸液芯区域的等效导热系数； 混合基体的体积热容Ceff与导热系数keff根据下列方程进行计算： Ceff＝ εCl+(1‑ε )Cs    (6) 该式中： Cl为液体工质的体积热容， Cs为吸液芯丝网的体积热容， kl为液体工质的导热权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 114154438 A 2系数， ks为吸液芯丝网的导热系数， ε为吸液芯丝网的孔隙率； 步骤5： 根据碱金属热管吸液芯最外侧节点温度判断热管启动阶段： 将热管启动划分为 启动第一 阶段、 启动第二阶段和启动第三阶段， 通过对比碱金属工质的蒸气转变温度与上 一时刻计算得到的碱金属热管吸液芯区域最外侧控制 体温度即吸液芯区域与蒸气区域的 交界面温度， 后统称气液交界面温度， 判断热 管当前启动阶段； 碱金属工质的转变温度通过迭代下式计算： 该式中： Tt为碱金属工质的转变温度， M为碱金属工质的相对分子质量， Ru为理想气体常 数， ρ 为气体的密度， μ为气体的动力粘度， D为热管蒸气区域的直径， 对于确定的热管结构及 热管工质， 碱金属工质的转变温度Tt是唯一确定的； 如果气液交界面所有控制体的温度都小于碱金属 工质的转变温度Tt， 则判断为启动第 一阶段； 如果气液交界面已经存在控制体的温度大于等于碱金属工质的转变温度Tt， 但仍 有气液交界面控制体的温度小于碱金属工质的转变温度Tt， 则判断为启动第二阶段； 如果 气液交界面所有控制体的温度都大于等于碱金属工质的转变温度Tt， 则判断为启动第三阶 段； 步骤6： 根据启动阶段不同， 计算碱金属热管蒸气区域控制体的温度、 速度、 密度、 压力 和含气率： 如果为启动第 一阶段， 则认为蒸气区域处于自由分子态， 忽略蒸气的蒸发及传热， 对于 气液交界面采取绝热边界条件： 该式中： Tv为热管蒸气区域的温度， Rg为蒸气区域的半径； 则此时蒸气区域控制体的温度等于与其相邻的吸液芯区域控制体温度： 该式中： Tv,i为热管蒸气区域沿轴向第i个控制体的温度， Tp,i为热管吸液芯区域沿轴向 第i个控制体的温度； 如果为启动第 二阶段， 则认为与气液交界面达到碱金属工质的转变温度的控制体相邻 的蒸气区域控制 体内为连续态流动， 其余蒸气区域控制体内仍为自由分子态， 忽略蒸气的 密度、 含气率、 速度参数， 在所有连续 流动控制体内通过迭代下式求出归一 化蒸气温度： 该式中： acc为单元调节系数， hfv为工质的汽化潜热， W为蒸汽区域的周长， me为达到转变 温度的气液交界面控制体数， 不超过e+a， Δli为第i个控制体的宽度， Tfi为气液交界面第i 个控制体的温度， Pfi为Tfi对应的饱和蒸气压力， Tv为蒸气区域的温度， Pv为Tv对应的饱和蒸 气压力， ρv为Tv对应的蒸气密度， Ac为蒸汽区域的面积， γ为气态工质的热容比；权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 114154438 A 3