宇宙機熱システムの飛躍的発展を目指した自励振動ヒートパイプの研究

自激振荡热管研究旨在大力发展航天器热系统

• 批准号: 14J03928
• 负责人: 大丸 拓郎
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J03928/
• 关键词: 熱流体力学; 気液二相流; ヒートパイプ; 自励振動ヒートパイプ; 宇宙機熱システム; 数値流体力学; 宇宙工学; 熱流体現象; 熱設計; 航空宇宙工学; 熱制御; 熱流体; 混相流; 数値計算

本年度は、自励振動ヒートパイプ（Oscillating Heat Pipe: OHP）の内部流動モデルを用いて、JAXAにより行われている軌道上試験との比較、起動特性の解明を行った。また、従来研究では不明であったOHPの熱輸送限界の再現に成功した。一次元内部流動モデルを用いたOHPの軌道上実証試験との比較に関しては、前年度までに進めていた内部流動モデルに微小管内での沸騰モデル、逆止弁アルゴリズムを付加することで、先行研究と比較してさらに高精度な現象予測が可能なモデルの構築に成功し、それを実証試験の再現へと応用した。実験との比較からモデルが定量的にOHPの性能を予測することが可能であることを確認した。また、軌道上実証試験で観察された、起動時の不具合の原因を解明するための計算を行った。その結果、OHPが搭載されている小型衛星が日陰に入った際に搭載パネルの温度が低下し内部気液の分布が変化していることが原因であることが分かった。さらに、この事実を受け起動特性改善のための解決策を提案することを目指した。OHPが動作しなかった条件においても液相が微小な振動をしていることが分かっていたので、逆止弁の位置を変更し、微小な振動に擾乱を与えることでOHPを起動させることを試みた。その結果、いかなる初期気液分布の条件であっても、逆止弁が液相に干渉する位置に存在していればOHPが起動できることが分かった。また、先行研究においては再現することができていなかったOHPの動作限界を予測することに成功した。本研究ではあらかじめ動作限界に関して実験を行い、OHPの熱輸送性能が著しく悪化する熱入力域を断定しておき、計算でも同様の熱入力域でOHPの熱輸送性能が低下するか検証した。その結果、気相周りの薄液膜の厚さが比較的薄い条件において高熱入力域でOHPの熱輸送能力が、実験と同様に著しく低下するという結果を得た。

今年，我们使用振荡热管（OHP）的内部流动模型，将其与 JAXA 进行的在轨测试进行比较，并阐明其启动特性。此外，我们成功地再现了 OHP 的热传输极限，这在以前的研究中是未知的。关于与使用一维内流模型的OHP在轨验证测试的比较，我们在去年一直在进行的内流模型中添加了微管中的沸腾模型和止回阀算法，并进行了比较通过之前的研究，我们成功构建了一个比之前的模型能够更准确地预测现象的模型，并将其应用于演示测试的再现。与实验比较证实该模型能够定量预测OHP性能。此外，还进行了计算，以澄清在轨演示测试期间观察到的启动失败的原因。结果发现，原因是携带OHP的小卫星进入阴影时，星载面板温度下降，内部气液分布发生变化。此外，针对这一事实，我们旨在提出一种改善启动特性的解决方案。由于我们知道，即使在 OHP 不运行的情况下，液相也会产生微小振动，因此我们决定改变止回阀的位置，对微小振动造成干扰，以启动我尝试过的 OHP。结果发现，无论初始气液分配条件如何，只要止回阀位于干扰液相的位置，OHP就可以被激活。此外，我们成功地预测了 OHP 的操作极限，这在之前的研究中是不可能重现的。在本研究中，我们提前进行了实验以确定操作极限，确定了OHP传热性能显着恶化的热输入范围，并通过计算验证了OHP在相同热输入范围内传热性能是否恶化。 。结果，我们发现，与实验类似，在气相周围的薄液膜相对较薄的条件下，OHP在高热输入区域的传热能力显着降低。

项目成果

数値解析モデルによる平板型ヒートパイプ軌道上実験の検証

利用数值分析模型验证平板热管在轨实验

• 发表时间: 2016
• 作者: 大丸拓郎;永井大樹;岡本篤;安藤麻紀子;田中洸輔;杉田寛之
• 通讯作者: 杉田寛之

athematical Modeling and Experimental Validation of Oscillating Heat Pipes

振荡热管的数学建模和实验验证

• 发表时间: 2014
• 作者: Takurou Daimaru;Hiroki;Nagai;Shuhei Yoshida;Atsushi Okamoto;Makiko Ando;Hiroyuki Sugita
• 通讯作者: Hiroyuki Sugita

Study on thermal cycle in oscillating heat pipes by numerical analysis

• DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.11.114
• 发表时间: 2017-02-25
• 期刊: APPLIED THERMAL ENGINEERING
• 影响因子: 6.4
• 作者: Daimaru, Takurou;Yoshida, Shuhei;Nagai, Hiroki
• 通讯作者: Nagai, Hiroki

Operational Characteristics of the Oscillating Heat Pipe with Noncondensable Gas

不凝性气体振荡热管的工作特性

• DOI: 10.2514/1.t4461
• 发表时间: 2015
• 期刊: Journal of Thermophysics and Heat Transfer
• 影响因子: 2.1
• 作者: 池内 健;松尾芳隆;佐藤史弥;佐伯 泰;田中啓二;稲田利文;Takurou Daimaru and Hiroki Nagai
• 通讯作者: Takurou Daimaru and Hiroki Nagai

数値解析による自励振動ヒートパイプ内の熱サイクルに関する研究

自激振荡热管热循环数值分析研究

• 发表时间: 2015
• 作者: 大丸拓郎;吉田周平;杉田寛之
• 通讯作者: 杉田寛之