水升华器相变界面特性与模态转变特征：温度-压力驱动的传热传质过程研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Phase change interface properties and mode transition characteristics of water sublimator: A study on temperature-pressure-driven heat and mass transfer process

　　

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  对涉及三相变化的水升华器六种典型工作模式进行了分类。
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  基于相界面特性建立了无因次模式转变图。
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  理论边界为工程提供了结构与运行方面的指导。

引言

水升华器（WS）是航空航天领域中的关键热控部件。在设备内部，水暴露于高真空环境中，经历蒸发和升华等相变过程[1]。由此，它可散发电子设备及宇航员舱外航天服内代谢活动所产生的热量，从而在舱外活动期间维持安全舒适的热环境[2], [3]。自阿波罗计划引入以来[4]，美国、苏联及欧洲在航空航天任务中已成功实施或提出将WS作为技术方案[5], [6], [7], [8]。凭借其固有优势——包括体积紧凑、重量轻、高可靠性以及对微重力的优良适应性——WS目前已成为舱外航天服的主要热控解决方案[9]。

WS的核心部件是多孔板（PP），水的相变主要发生在其中。该过程构成了多孔介质内复杂的多元传热与传质问题。多孔介质本身在多尺度异质性、动态固液交互及耦合传输现象方面具有固有的高复杂性[10]，在此基础上引入相变过程则提出了更大的研究挑战。尽管已有众多研究者对多孔介质中的两相转变进行了探索[11], [12], [13], [14]，但WS具有显著的独特性。工作流体在其微米级孔隙中同时存在固相、液相和气相。这些相变的强度、位置和类型由多个参数共同决定——如PP的结构参数、相界面温度、供水压力及真空环境压力等——反映了由温度和压力耦合驱动的工况机制。因此，WS在不同热工和动态条件下形成不同的工作模式，每种模式表现出显著不同的传热与传质特征。Hamilton Standard率先对WS的工作模式进行了分析，从理论上确定了四种主要工作模式[4]：升华模式、循环模式、蒸发模式和混合模式。后续研究者大多依赖这一分类体系来研究相关模式特征。然而，该方法未能考虑相变界面的位置以及WS的压力驱动特性，从而忽略了冻结模式和 breakthrough模式等潜在的失效模式。

现有的关于WS的研究大多侧重于在预定义工作模式下运行的设备，或者基于研究结果从经验角度推断相变类型。在实验研究方面，Leimkuehler和Sheth等人对多种WS进行了广泛的性能测试，包括抗污染升华器（CIS）[15], [16], [17]、升华器驱动冷板（SDC）[18], [19], [20]以及集成升华器驱动冷板（ISDC）[21], [22], [23]。仅在X-38 WS测试过程中，他们才观察到供水间隙（FWG）内工作流体的冻结状态如何导致设备结构损坏及随后的冷却液泄漏[24]。然而，并未提出解决该问题的方案。此外，Wang等人[25]实验研究了WS在不同热工和动态条件下的启动特性，提出了一种防止供水穿透的启动策略。然而，受限于宏观实验条件，他们无法观察微观相变过程，也未进一步对工作模式进行分类。

数值模拟能够在微观层面研究WS的传热与传质特性。然而，现有的模拟模型很少涉及模式转变问题。目前为CIS、SDC和ISDC开发的各类模拟模型[26], [27], [28]主要关注温度、压力等热力学参数的分布。这些模型无法捕捉设备内相界面的迁移及相态的动态演化。仅有Ma等人[29], [30]基于模拟的温度分布评估了内部相变类型。关于专为平板式WS开发的模型，Li等人[31]求解了水-冰-气三相系统的稳态分布，这无法反映相态的动态变化。Wang等人[32]和Liao等人[33]仅针对循环模式建立了一维模拟模型。此外，基于模拟结果，Zhang等人[34]将PP内部的相变状态分为三种类型：干烧、蒸发和升华。

综上所述，大多数现有研究集中于WS在正常运行条件下的热力学特性，缺乏基于相界面位置和相变类型对工作模式的精确分类。虽然少数研究已经认识到失效模式的存在，但它们缺乏定量分析，或未能提出有效的规避策略。准确定义这些工作模式可以确立结构设计和运行参数的有效理论范围，以确保热控功能的正常运行。因此，这种精确定义是深入分析WS热力学特性的关键前提。本研究聚焦于平板式WS，基于温度与压力耦合驱动的设备工作机理，对其工作模式之间的转变特性进行了理论分析。根据PP的多种结构参数、热工运行参数及动态运行参数，界定了六种典型工作模式。为每种模式建立了传热与传质模型，并对相界面特性进行了分析。此外，理论求解了这些模式之间的转变边界，生成了无因次模式转变相图。通过与实验数据进行验证，成功建立了高度准确的WS热力学性能预测模型。本文的主要创新在于将研究范式从分析孤立运行条件转变为理论探索整个运行包线。通过根据升华器的结构参数和运行条件快速确定工作模式，该方法有效地防止了实际应用中出现失效模式，从而为宇航员的舱外散热需求提供了可靠的安全保障。

章节摘要

工作机理与工作模式

平板式WS主要由金属基板、FWG、供水入口和PP组成，如图1所示。具体而言，金属基板可与发热电子设备直接接触，也可与传热流体回路耦合，用于传递热负荷。供水通过入口进入，FWG则作为储水池和缓冲器，确保水以相对均匀的流量进入PP。作为相变的主要场所，PP

实验方法

本研究搭建了WS性能测试实验平台，以研究不同热工和动态运行参数对其性能特性的影响。前几节中提出的各种工作模式下的传热与传质模型得到了验证。此外，通过实验结果与理论分析的相结合，验证了WS工作模式之间的转变特性。

热控制方程

斯坦顿数（St）、雅各布数（Ja）和欧拉数（Eu）的定义分别如式(21)和式(23)所示。St表示热通量的相对大小，Ja表示供水的显热交换与潜热之比，Eu表示蒸气流经微孔时压降的相对大小。为平衡方程，引入了质量流速比$\gamma$，如式(24)所示。这些无因次群构成了

结论

WS是舱外航天服的热控部件。其内部多孔介质区域存在复杂的三相耦合相变过程。相变特性受温度和压力共同影响，在不同的热工和动态运行条件下存在不同的工作模式。本研究分类了六种典型工作模式，基于传热与传质模型分析了每种模式的相界面特性，定量求解了转变

CRediT作者贡献声明

廖俊远：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理。张星娟：监督，项目管理。杨春心：概念构思。杨涵：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作受载人航天领域先导研究项目（010401）资助。

廖俊远|张星娟|杨春心|杨涵