工质对脉动热管运行特性影响的数值模拟研究
发布时间：2021-06-21 18:45
高热流密度容易造成电子器件高温失效,脉动热管（Pulsating Heat Pipe,PHP）因换热的高效性和结构上较强适应性的特点,在高热流密度电子器件散热领域具有巨大的应用潜力。针对脉动热管传热传质热物理过程及机理,分别搭建了脉动热管数值模型和实验研究系统,对影响脉动热管的环路数（单环路、双环路）、管径（1mm、2mm）、水浴加热温度（40100℃）、工质（水、乙醇、丙酮、R141b、R123、R134a、R290）等因素进行了研究。通过数值模拟和实验研究,分析了工质热物性对脉动热管传热性能的影响。主要研究内容和结论如下:（1）建立了二维管式脉动热管数值模型,研究了回路数、管径、水浴加热温度以及工质对脉动热管启动和稳定运行特性的影响。在启动过程中,管内工质流型经历了汽化核心的形成、气泡的生长、长大、形成气塞和液塞,从而形成塞状流;而在双回路脉动热管的启动过程中则表现为突沸。在稳定运行时,工质在双回路脉动热管内部更容易形成稳定的塞状流。（2）工质管径不同时,脉动热管的启动过程不同。当管径为1mm时,脉动热管启动缓慢,启动过程气泡流行演变清晰;当管径为2mm时,工...
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于脉动热管可能的应用场景示意图
第1章绪论2Fig.1-1StatisticsofthePHPbasedsystems1.2.1脉动热管的分类根据环路是否闭合，脉动热管可以分为开式（Openlooppulsatingheatpipe,OLPHP）和闭式（Closedlooppulsatingheatpipe,CLPHP），如图1-2所示。根据开槽结构不同，可以分为板式脉动热管和管式脉动热管。其中板式脉动热管是在平板（通常为铜板）上冼出首尾相连的弯曲状槽道，上部用玻璃作为盖板形成封闭的流动空间；管式脉动热管是一定长度的金属管道或柔性非金属材料弯曲形成的封闭结构，通过选择不同的材料，两种脉动热管皆可实现可视化研究。除此之外，基于上述结构，还可有单回路、多回路以及其他结构形式的脉动热管。图1-2闭式脉动热管（左）和开式脉动热管（右）[14]Fig.1-2ClosedloopPHP(left)andOpenloopPHP(right)1.2.2脉动热管的系统形式脉动热管的系统形式与所采用的加热和冷凝方式相关。目前研究中，对于脉动热管蒸发段的加热方式有两种：电加热和恒温水浴加热。管式脉动热管的电加热方式表现为在回路上缠绕一定数量的电阻丝，电阻丝与交流电源相连；板式脉动热管则在蒸发段的背板上插入电加热棒，加热棒与交流电源相连。电加热方式升温快，且温升较高。对于水浴加热方式，管式和板式脉动热管的连接也有区别。管式脉动热管通常是将蒸发段直接置于恒温热水浴中，而板式则在背板处设金属翅片板，分设进出水口，通过管道与恒温热水浴相连。水浴加热能够实现严格的温度控制，其受热均匀，不容易发生局部突沸。对于在温度上有严格限制的设备，水浴加热方式为最佳选择，因此本文采用水浴加热方式。冷凝方式有风冷和水冷两种，少量研究涉及自然冷却。其中风冷采用风机进行受迫对流散热，水冷采用恒温水箱冷却。水冷是目前大多数研究者采用的研究方式。考虑到风
第1章绪论3外界环境因素影响，且能实现均匀冷却，因此本文的冷凝方式采用恒温水冷方式。1.2.3脉动热管的工作原理图1-3为传统热管（Heatpipe）工作原理示意图。毛细通道（吸液芯）是传统热管的特有结构，能够产生毛细力。从蒸发端流出的工质蒸汽在冷凝端释放汽化潜热并凝结成液体，在毛细力作用下，重新流回蒸发端。如此往复，维持溶液（换热过程）循环。与金属管相比，热管传热效率更高。图1-3热管换热原理示意图Fig.1-3Schematicdiagramofheattransferinheatpipe在结构上，传统热管和脉动热管都由蒸发段、冷凝段（和绝热段）组成。但与传统热管不同的是，脉动热管内部为空腔，腔体内部充注一定体积比（充液率）的工质，其结构相对简单。在充注过程中，工质的表面张力和重力发挥主要作用。在一定真空度条件下，脉动热管内部工质的初始温度低于其饱和温度，流体与壁面间的传热方式主要为对流换热；随着加热温度（热流量）的增加，近壁面处工质温度升高，首先达到饱和温度，壁面有小气泡生成；在随后产生的泡态沸腾、核态沸腾中，工质内部气泡增加、长大并伴随着气泡的合并，形成气柱和产生液塞，导致脉动热管内部压力差增大，产生循环震荡流动。气柱膨胀过程可近似看作弹簧弹性扩张。根据气体-弹簧模型[15]，如图1-4所示。气塞和液塞的形成及分布的不均匀性导致了脉动热管内部的压差，压差驱动震荡流动过程的进行。图1-4脉动热管气体-弹簧模型[15]Fig.1-4Gas-springmodelofPHP
【参考文献】：
期刊论文
[1]脉动热管传热性能优化实验研究进展[J]. 肖念何,吴梁玉. 建筑热能通风空调. 2019(10)
[2]脉动热管的理论研究与应用新进展[J]. 厉青峰,王亚楠,何鑫,练晨,李华. 工程科学学报. 2019(09)
[3]倾斜角对金属泡沫脉动热管传热性能研究[J]. 包康丽,杨泽科,方一波,乔晓刚,韩晓红,徐象国,陈光明. 工程热物理学报. 2019(08)
[4]倾角及加热功率对乙烷脉动热管传热性能的影响[J]. 陈曦,林毅,邵帅. 化工学报. 2019(04)
[5]特殊型槽道热管启动和运行特性研究[J]. 乔家广,陶乐仁,谢荣建,黄雅婷. 低温与超导. 2019(03)
[6]脉动热管气液塞初始分布可视化实验研究[J]. 包康丽,黄炯亮,华超,高旭,韩晓红,陈光明. 工程热物理学报. 2019(02)
[7]振荡热管中气液两相运动的数值模拟[J]. 李培生,杜鹏,张莹. 南昌大学学报(工科版). 2018(03)
[8]用于空调能量回收的板式脉动热管换热器[J]. 夏侯国伟,张俊杰,龙葵,马锐,张苗. 化工进展. 2018(08)
[9]脉动热管可视化实验研究进展[J]. 孙潇,韩东阳,焦波,甘智华. 化工进展. 2018(08)
[10]微型脉动热管气液两相流动与传热特性实验研究[J]. 王超,刘向东,沈超群,陈永平. 工程热物理学报. 2018(06)
博士论文
[1]表面张力对脉动热管传热特性影响的理论与实验研究[D]. 王学会.浙江大学 2017
[2]纳米流体扩容型脉动热管的传热研究[D]. 曹滨斌.天津大学 2010
硕士论文
[1]CPC优化设计及对脉动热管太阳能集热器运行特性影响研究[D]. 闫美玉.北京建筑大学 2018
[2]脉动热管特性的数值模拟与实验研究[D]. 李达.哈尔滨工业大学 2018
[3]表面润湿性对脉动热管传热性能影响的实验研究[D]. 张庆振.大连海事大学 2017
本文编号：3241206
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于脉动热管可能的应用场景示意图
第1章绪论2Fig.1-1StatisticsofthePHPbasedsystems1.2.1脉动热管的分类根据环路是否闭合，脉动热管可以分为开式（Openlooppulsatingheatpipe,OLPHP）和闭式（Closedlooppulsatingheatpipe,CLPHP），如图1-2所示。根据开槽结构不同，可以分为板式脉动热管和管式脉动热管。其中板式脉动热管是在平板（通常为铜板）上冼出首尾相连的弯曲状槽道，上部用玻璃作为盖板形成封闭的流动空间；管式脉动热管是一定长度的金属管道或柔性非金属材料弯曲形成的封闭结构，通过选择不同的材料，两种脉动热管皆可实现可视化研究。除此之外，基于上述结构，还可有单回路、多回路以及其他结构形式的脉动热管。图1-2闭式脉动热管（左）和开式脉动热管（右）[14]Fig.1-2ClosedloopPHP(left)andOpenloopPHP(right)1.2.2脉动热管的系统形式脉动热管的系统形式与所采用的加热和冷凝方式相关。目前研究中，对于脉动热管蒸发段的加热方式有两种：电加热和恒温水浴加热。管式脉动热管的电加热方式表现为在回路上缠绕一定数量的电阻丝，电阻丝与交流电源相连；板式脉动热管则在蒸发段的背板上插入电加热棒，加热棒与交流电源相连。电加热方式升温快，且温升较高。对于水浴加热方式，管式和板式脉动热管的连接也有区别。管式脉动热管通常是将蒸发段直接置于恒温热水浴中，而板式则在背板处设金属翅片板，分设进出水口，通过管道与恒温热水浴相连。水浴加热能够实现严格的温度控制，其受热均匀，不容易发生局部突沸。对于在温度上有严格限制的设备，水浴加热方式为最佳选择，因此本文采用水浴加热方式。冷凝方式有风冷和水冷两种，少量研究涉及自然冷却。其中风冷采用风机进行受迫对流散热，水冷采用恒温水箱冷却。水冷是目前大多数研究者采用的研究方式。考虑到风
第1章绪论3外界环境因素影响，且能实现均匀冷却，因此本文的冷凝方式采用恒温水冷方式。1.2.3脉动热管的工作原理图1-3为传统热管（Heatpipe）工作原理示意图。毛细通道（吸液芯）是传统热管的特有结构，能够产生毛细力。从蒸发端流出的工质蒸汽在冷凝端释放汽化潜热并凝结成液体，在毛细力作用下，重新流回蒸发端。如此往复，维持溶液（换热过程）循环。与金属管相比，热管传热效率更高。图1-3热管换热原理示意图Fig.1-3Schematicdiagramofheattransferinheatpipe在结构上，传统热管和脉动热管都由蒸发段、冷凝段（和绝热段）组成。但与传统热管不同的是，脉动热管内部为空腔，腔体内部充注一定体积比（充液率）的工质，其结构相对简单。在充注过程中，工质的表面张力和重力发挥主要作用。在一定真空度条件下，脉动热管内部工质的初始温度低于其饱和温度，流体与壁面间的传热方式主要为对流换热；随着加热温度（热流量）的增加，近壁面处工质温度升高，首先达到饱和温度，壁面有小气泡生成；在随后产生的泡态沸腾、核态沸腾中，工质内部气泡增加、长大并伴随着气泡的合并，形成气柱和产生液塞，导致脉动热管内部压力差增大，产生循环震荡流动。气柱膨胀过程可近似看作弹簧弹性扩张。根据气体-弹簧模型[15]，如图1-4所示。气塞和液塞的形成及分布的不均匀性导致了脉动热管内部的压差，压差驱动震荡流动过程的进行。图1-4脉动热管气体-弹簧模型[15]Fig.1-4Gas-springmodelofPHP
【参考文献】：
期刊论文
[1]脉动热管传热性能优化实验研究进展[J]. 肖念何,吴梁玉. 建筑热能通风空调. 2019(10)
[2]脉动热管的理论研究与应用新进展[J]. 厉青峰,王亚楠,何鑫,练晨,李华. 工程科学学报. 2019(09)
[3]倾斜角对金属泡沫脉动热管传热性能研究[J]. 包康丽,杨泽科,方一波,乔晓刚,韩晓红,徐象国,陈光明. 工程热物理学报. 2019(08)
[4]倾角及加热功率对乙烷脉动热管传热性能的影响[J]. 陈曦,林毅,邵帅. 化工学报. 2019(04)
[5]特殊型槽道热管启动和运行特性研究[J]. 乔家广,陶乐仁,谢荣建,黄雅婷. 低温与超导. 2019(03)
[6]脉动热管气液塞初始分布可视化实验研究[J]. 包康丽,黄炯亮,华超,高旭,韩晓红,陈光明. 工程热物理学报. 2019(02)
[7]振荡热管中气液两相运动的数值模拟[J]. 李培生,杜鹏,张莹. 南昌大学学报(工科版). 2018(03)
[8]用于空调能量回收的板式脉动热管换热器[J]. 夏侯国伟,张俊杰,龙葵,马锐,张苗. 化工进展. 2018(08)
[9]脉动热管可视化实验研究进展[J]. 孙潇,韩东阳,焦波,甘智华. 化工进展. 2018(08)
[10]微型脉动热管气液两相流动与传热特性实验研究[J]. 王超,刘向东,沈超群,陈永平. 工程热物理学报. 2018(06)
博士论文
[1]表面张力对脉动热管传热特性影响的理论与实验研究[D]. 王学会.浙江大学 2017
[2]纳米流体扩容型脉动热管的传热研究[D]. 曹滨斌.天津大学 2010
硕士论文
[1]CPC优化设计及对脉动热管太阳能集热器运行特性影响研究[D]. 闫美玉.北京建筑大学 2018
[2]脉动热管特性的数值模拟与实验研究[D]. 李达.哈尔滨工业大学 2018
[3]表面润湿性对脉动热管传热性能影响的实验研究[D]. 张庆振.大连海事大学 2017
本文编号：3241206
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