北京控制工程研究所刘锦涛研究员团队——不同来流温度对空间微泵空化特性影响研究
北京控制工程研究所刘锦涛研究员团队——不同来流温度对空间微泵空化特性影响研究 | MDPI Aerospace
论文标题： Temperature Dependence of Cavitation Characteristics in a Space Micropump
论文链接： https://www.mdpi.com/2226-4310/13/4/355
期刊名： Aerospace
期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/aerospace
在现代航天任务中，载荷日益趋向集成化与多功能化，其持续运行会产生大量热负荷。若无法及时散热，设备可能因过热而发生故障，进而威胁任务安全。流体回路主动散热系统因其结构简单、可靠性高，已成为当前航天器热管理的主流方案。作为该系统的核心部件，空间微泵对航天器的运行稳定性至关重要。在微重力条件下，空间微泵的空化特性受温度影响显著，深入研究这一现象的机理，对于延长在轨热管理系统寿命、提升空间微泵运行稳定性具有重要指导意义。来自北京控制工程研究所的刘 锦涛 研究员、周丹洋工程师团队在 Aerospace 期刊发表文章，系统探讨了不同介质温度对空间微泵空化特性的影响，为空间微泵设计及在轨热管理系统的可靠运行提供了重要参考。
研究过程与结果
研究团队采用多相流模型耦合热修正Zwart-Gerber-Belamri空化模型，在微重力环境下考虑表面张力的效应对不同来流温度空间微泵的空化特性进行了数值研究。研究涵盖了多种体积流量（0.5、1.16、1.6和2 L/min）、入口温度（-37、-25、0、25、50和72°C）和空化数（σ = 0.2、0.1、0.03、0.02和0.01）条件，系统分析了温度和流量如何影响泵的性能及其空化特性。
研究发现，空间微泵在热交变环境运行时空化行为强烈依赖于来流介质温度和流量。在低温条件下，空化强度增加，导致扬程和效率降低，轴功率略有增加。相反，高温条件下空化发展受到抑制，无明显性能衰减现象，在某些情况下甚至出现扬程和轴功率的改善。具体而言：
（1）在外特性分析方面，所有温度条件下， 空化初生均发生在σ = 0.02。高温时空化受到抑制，扬程降低幅度随温度升高而逐渐减小；低温时泵性能对空化数变化更为敏感。 当空化数低于临界值0.02时，低温条件下的轴功率对σ的进一步降低变得愈发敏感，表明热交变过程低温更有利于空化的发展。
（2）在内部流动特性方面， 低温促进更广泛的汽相分布和更大的流动畸变。 在72°C时，空泡数量较少、尺寸较小且分布分散；随着温度降低，空泡数量和尺寸增加，分布更加集中。在0°C时，叶轮区域几乎被密集分布的空化气泡覆盖。空化对低温下的流场影响更为显著，导致流线形态畸变更大，湍动能增强，内部流场更加复杂。
（3）在熵产分析方面，虽然 空化本身贡献的额外损失有限，但在低温和大流量工况组合条件下，熵产率显著上升。 叶轮外缘始终是叶轮前盖板总熵产率的主要贡献区域，这是因为流体线速度在叶轮外缘最高，与蜗壳壁面形成强剪切层，导致不可逆摩擦损失主导熵产。