振动状态下脉动热管的流动与传热性能研究

发布时间：2020-10-31 21:27

　　 作为一种新型的传热元件,脉动热管具有诸多优点,在各种散热领域被广泛利用。在工程实际应用中,散热装置大多不可避免的受到外界振动环境的影响。但对脉动热管在振动环境下传热性能的深入研究较为缺乏,振动环境对脉动热管流动与传热特性的影响规律也未被深入认识。因此,对振动环境下脉动热管的流动与传热性能进行实验研究,探究不同振动参数对脉动热管传热性能的影响机理与规律显得尤为必要。目前,不同振动参数对脉动热管传热性能的影响规律尚缺乏总结,脉动热管的振动适应性强化方案尚未提出。因此,本文分别设计并进行了三种实验,首先探明管径对脉动热管内流动以及传热特性的影响,并在此基础上,着重于揭示不同振动参数对脉动热管传热性能影响的内在机理,通过实验验证了内壁耦合毛细芯结构的脉动热管对振动环境具有良好的适应性以及传热性能,最终为振动环境下脉动热管工作参数的选择提供了数据支撑;为工程实际应用中脉动热管振动适应性强化方法提供了新的思路。总结本文的研究内容与研究结论主要有以下几点:(1)对不同管径下脉动热管内流动的可视化实验研究表明,脉动热管内工质的运行存在3种基本构成要素,不同份额的三要素组合形成了脉动热管内工质的4种准稳定运行模式。脉动热管内主要的基本气液两相流型为泡状流、塞状流、环状流。管径的增大会造成气液界面毛细不稳定性下降从而导致冷凝段更易发生气泡断裂现象。在相同的热负荷下,1mm管径的脉动热管通常拥有较高的热阻,且其所能承受的极限热负荷相对比2mm与3mm管径脉动热管来说较低。(2)针对振动环境下脉动热管流动与传热性能实验研究表明,振动环境对脉动热管的影响实际上就是振动对工质施加的变向推动力与其它力互相作用的结果。在低热负荷下振动对脉动热管内的池沸腾现象具有强化作用,因此在2mm与3mm管径下振动具有强化脉动热管传热性能的效果,1.5mm管径的脉动热管由于管径较小,气泡的刚性较大,因此相对于2mm与3mm管径来说难以启动。在高热负荷下振动环境的惯性力不足以对抗管内压差驱动力,压差驱动力推动工质进行高速的循环运行,因此高热负荷下振动对脉动热管的影响较小。脉动热管受外界振动影响,热阻下降速度的降低现象多发生在工质从连续性脉动与短暂循环交替运行状态转变为非稳定循环运行状态以及稳定循环运行状态时。振动频率对推动力的影响主要是力的方向,振动幅度对推动力的影响主要是力的大小。纵向振动环境下,外界振动所施加给脉动热管内工质的推动力主要对抗的是流动阻力与冷热端压差驱动力以及重力;而横向振动环境下,外界振动所施加给脉动热管内工质的推动力主要对抗的是工质的表面张力。(3)针对脉动热管振动适应性强化方法的实验验证了内壁耦合毛细芯结构的脉动热管既对振动环境表现出良好的适应性,又拥有相对于传统结构的脉动热管较好的均温性能与传热性能。具有毛细芯结构的脉动热管内工质的流动与传统脉动热管相比具有较大的差异,在低热负荷下,其热阻最低仅为传统结构脉动热管的十分之一。具有毛细芯结构的脉动热管工质的流动由于受到毛细芯结构毛细抽吸力的影响,对振动环境的适应性有不同程度的增强,且传热性能也存在不同程度的提高。这为后续工程实际应用中,振动环境下脉动热管的设计提供了新的思路。
【学位单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK172.4
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号注释表
第一章 绪论
    1.1 课题背景以及其意义
    1.2 脉动热管介绍
        1.2.1 脉动热管结构特征以及工作原理
        1.2.2 脉动热管性能特点
    1.3 脉动热管流动与传热特性的国内外研究现状
        1.3.1 脉动热管内气液相变流动行为的可视化实验研究
        1.3.2 脉动热管传热特性及其影响因素的实验研究
        1.3.3 脉动热管强化换热方法实验研究
        1.3.4 振动环境下热管实验研究
    1.4 脉动热管技术在工程中应用的研究进展
        1.4.1 热回收装置中的应用
        1.4.2 太阳能热水器中的应用
        1.4.3 电池散热中的应用
        1.4.4 其它方面的应用
    1.5 本课题主要研究目标与研究内容
        1.5.1 研究目标
        1.5.2 研究内容
    1.6 本章小结
第二章 管式脉动热管可视化实验研究
    2.1 实验系统与实验方法
        2.1.1 实验原理与实验系统
        2.1.2 脉动热管充液方法与步骤
        2.1.3 脉动热管可视化实验方法与步骤
        2.1.4 实验数据的整理以及误差分析
    2.2 实验结果与讨论
        2.2.1 脉动热管内工质流动行为分析
        2.2.2 脉动热管内工质运行状态与流型的分析
        2.2.3 脉动热管传热性能分析
    2.3 本章小结
第三章 振动环境下管式脉动热管的传热特性实验研究
    3.1 实验系统与方法
        3.1.1 实验原理
        3.1.2 管式脉动热管的设计与研制
        3.1.3 实验装置
        3.1.4 实验方法与步骤
        3.1.5 实验数据整理与误差分析
    3.2 实验结果与讨论
        3.2.1 非振动环境下脉动热管流动与传热特性分析
        3.2.2 纵向振动环境下脉动热管工质流动运行特性分析
        3.2.3 纵向振动环境下脉动热管启动性能分析
        3.2.4 纵向振动环境下脉动热管传热特性分析
        3.2.5 横向振动环境下脉动热管传热特性分析
    3.3 本章小结
第四章 管式脉动热管振动适应性强化方法研究
    4.1 实验系统与方法
        4.1.1 实验原理
        4.1.2 实验用管式脉动热管的设计与研制
        4.1.3 实验方法与步骤
    4.2 实验结果与讨论
        4.2.1 非振动环境下两种脉动热管流动与传热特性分析
        4.2.2 纵向振动环境下脉动热管工质流动运行特性分析
        4.2.3 纵向振动环境下脉动热管传热性能分析
    4.3 本章小结
第五章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 主要创新点
    5.3 展望
参考文献
图表目录
致谢
作者简历

【参考文献】

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本文编号：2864531