脉动热管的传热流动特性的实验与理论研究

发布时间：2020-11-10 03:01

　　脉动热管作为一种新型热管,以其结构简单,传热性能优良,适应环境范围广,无需外界能量供给等优势,成为解决现阶段散热问题的新途径。但由于其在工作时内部发生的极其复杂的汽液两相流的流动、传热与传质行为及其内在机理至今未能充分揭示,所以在其应用中仍然存在一定的障碍。因此对脉动热管的传热与流动特性的探究除了具有较高的工程价值,还对多相流、相变传热等问题的探究具有重要的科学意义。脉动热管自上世纪90年代被发明以来,国内外的科研工作者们已对其进行了比较多的研究。但由于湍流模型、汽液两相流模型、相变传热模型理论尚不完善,脉动热管领域还有许多问题急需探索。为了了解脉动热管的工作过程和机理,本文开展了对脉动热管的实验与理论研究。首先,为了可以对脉动热管进行实验研究,本文基于大量文献的基础上,自行设计了一套脉动热管实验台架,用于观察脉动热管的启动与稳定工作时的温度特性、探究不同因素对脉动热管传热性能的影响。基于本文的实验装置开展实验一方面可以观察到脉动热管启动时温度突变、稳定工作时温度振荡的现象;另一方面可以得到不同工况下的热阻值和蒸发段温度,了解不同因素对脉动热管性能产生的影响并分析了原因。其次,本文开展了对四弯头脉动热管模型的数值模拟研究,利用Ansys Fluent软件对所建立的模型进行求解计算。成功的模拟了脉动热管的初始化过程,观察到了脉动热管在工作阶段时历经的三个阶段,并对三个阶段模拟出的现象与实际过程比对并加以分析。最后,基于“质量-弹簧-阻尼”模型建立了脉动热管内两汽塞-液塞模型,本文分析了脉动热管在稳定运行过程中的振荡机理和传热特性,并进一步分析了管径、热管蒸发段温度以及工质热物性等影响因素对脉动热管工作性能的影响。本文完成了对脉动热管的探究的基础工作,从实验与理论两个方面对脉动热管进行研究,以加深对脉动热管工作机理的理解,对已完成的工作的不足提出一些改进方法,为后续的研究打下了物质与理论基础。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK172.4
【部分图文】：

结构图,脉动热管,结构图

（a）闭式回路型（b）开式开放回路型（c）开式封闭回路型（d）带单向阀的闭式回路型图 1-1 脉动热管结构图1.2.2 脉动热管的特点相较于传统热管，脉动热管有以下特点[9,12]：(1)无毛细芯结构，仅用细金属管即可制成，获取容易；(2)应用场景较为灵活，结构可以根据需要进行调整，可胜任多种复杂的工况。近年来甚至出现了用绝热橡胶充当绝热段的脉动热管，灵活性进一步增强；(3)无传统热管的毛细传热极限和输运传热极限；(4)工质在管内高速振荡或定向流动的同时发生相变传热，传热效率高。因此脉动热管具有传统热管所不具备的优点，将在微型电子芯片散热、电动汽车电池组热管理、空间等领域有不错的发展前景。1.3 脉动热管国内外研究现状

脉动热管,管径,传热性能

图 1-2 Tong 等人所做实验结果[13]3.1.2 脉动热管传热性能实验研究脉动热管的传热性能受多种不同因素的影响，包括：管径、管截面形状、蒸发段和凝段的长度、弯头数、工质的物性参数（表面张力、相变潜热、黏度等）、充液率、热荷、倾斜角等。研究人员已经针对以上因素做了大量的实验以探究其对脉动热管传热能的影响。1、管径管径对脉动热管的传热性能有着至关重要的影响。Yang 等人[21]比较了管径为 1mm 2mm 的脉动热管的传热性能结果发现管径为 1mm 的要比 2mm 的传热性能强 10%左。Charoensawan 等人[22]发现，每个蒸发温度下，脉动热管的热阻随着管径的增加而减，他们推测这是由于较小的管径会引入较大的粘滞阻力造成的。Saha 等人[23]利用两个

脉动热管,电子芯片,模拟仿真,翼型