（工程热物理专业论文）脉动热管的启动和运行性能及其可视化研究.pdf

摘要 本文对脉动热管进行了可视化实验和热性能实验，通过观察和分析脉动热管 启动和稳定运行阶段脉动热管内的气液塞行为和流动现象，结合热性能实验数 据，分析了脉动热管启动和稳定运行阶段的热性能。 在启动阶段，在低加热功率工况可能发生流型的突变过程。启动阶段脉动热 管内的气泡和液塞的聚合、断裂以及液态工质的回流现象，这些气液塞的行为有 利于管内气液塞重新分布调整和脉动热管的启动，液态工质的回流对稳定运行阶 段功率变化时的气液分布调整和稳定运行也有重要意义；实验还观察到了脉动热 管内_ 丁质流向传递到整个回路形成稳定单向循环流动的过程。通过引入参数最高 启动温度，结合参数最小启动功率和启动时间，综合分析了脉动热管启动性能， 分析发现，低充液率和适中充液率的脉动热管体现出了更好的启动性能，而高充 液率下的脉动热管相对较难启动。管内启动方式会随加热功率的升高由温度突变 型改变到温度平稳过渡型，最高启动温度会在启动方式发生改变后的一定功率范 围内降低，但随着加热功率的继续升高，脉动热管启动温度也可能会随之升高， 结合加热功率对启动时间的影响可知，脉动热管在加热功率适中和较高时可以保 证有较好的启动性能，但在加热功率继续升高时，可能出现肩动温度较高的现象。 稳定运行阶段脉动热管内工质存在不同流型，包括泡状流、塞状流、混合流 和环状流。在加热功率改变时或高加热功率的条件下，脉动热管内工质会m 现单 向循环流动方向改变的情况。脉动热管相邻管分别为工质的上升管和下降管，上 升管中气态工质较多，流速较快，温度也相对较高。 低充液率的脉动热管的适应性较低，充液率较高时，脉动热管能适应吏广的 功率范围，但在一定的加热功率范围内可能出现运行不稳定的现象。脉动热管冷 却段的温度脉动振幅远大于加热段，这可能是加热方式、冷却水温度等因素造成 的。冷却水温度的适当提高可以使运行更加稳定，提高脉动热管的传热性能，但 可能使脉动热管更难启动和提高脉动热管的工作温度。相比于丙酮，汽化潜热吏 大的蒸馏水在i - s d l ：i 热功率的条件下，体现出了更加稳定的性能。 本文还通过可视化实验现象和实验数据，结合已有的理论模型，对高加热功 率下的脉动热管性能进行了分析，并提出了理论模型的局限性和改进的方向。 关键词：脉动热管，可视化实验，启动性能，稳定运行性能 a b s t r a c t av i s u a le x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nw a sc o n d u c t e dt os t u d yt h es t a r t u pa n d o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f p u l s a t i n gh e a tp i p e ( p h p ) t h eb e h a v i o r so f t h ev a p o r p l u ga n dt h el i q u i ds l u gw e r ei n v e s t i g a t e d c o m b i n e dw i t ht h ed a t ao f t h e t h e r m a l l a b o r a t o r yb e n c ha n dt h ee x i s t i n gr e s u l t s ，t h es t a r t u pa n do p e r a t i n gp e r f o n n a n c ei s a n a l y z e di nt h i sp a p e r t h es u d d e nc h a n g eo f t h ef l o wp a t t e r no f t h ep h pd u r i n gt h es t a r t u ps t a g ew a s o b s e r v e d a l s ot h eb e h a v i o r so f t h ew o r k i n gs u b s t a n c es u c ha sc o m b i n a t i o no f t h e v a p o rp l u g so rl i q u i ds l u g s ，w o r k i n gs u b s t a n c eo fl i q u i ds t a t ef l o w i n g b a c kt ot h e u t u r n so f t h eh e a t i n gs e c t i o ne t c w h i c ha r eh e l p f u lf o rt h er e d i s t r i b u t i o no f t h e d i f f e r e n ts t a t e so f w o r k i n gs u b s t a n c ea n dt h es t a r to f t h ep h pw e r eo b s e r v e d t h r e e d i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，t h eh i g h e s ts t a r tt e m p e r a t u r e ，t h em i n i m u ms t a r tp o w e ra n dt h es t a r tt i m e ， a r eu s e dt oa n a l y z et h es t a r t u pp e r f o r m a n c e t h ep h pi se a s i e rt os t a r tw i t hr e l a t i v e l yl o w e r f i l l i n gr a t i ow i t hl o w e rs t a r tt e m p e r a t u r ea n ds t a r tp o w e r t h ew a yt h ep h ps t a r t sc h a n g e sf r o m t e m p e r a t u r em u t a n ts t a r t u pt ot e m p e r a t u r es m o o t hs t a r t - u pw i t ht h eh e a t i n gp o w e ri n c r e a s i n g ， w h i c hm a yr e s u l t si nt h es t a r tt e m p e r a t u r ef a l l i n g h o w e v e r ，w i t ht h eh e a t i n gp o w e ri n c r e a s i n g c o n t i n u o u s l y ，t h es t a r tt e m p e r a t u r ew o u l db er a i s e d t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep h p i s b e t t e rw h e nt h eh e a t i n gp o w e ri sm o d e r a t eo rr e l a t i v e l yh i g h e rw h i l et h es t a r tt e m p e r a t u r em a yb e t o oh i g hw h e nt h eh e a t i n gp o w e r c o n t i n u o u s l yi n c r e a s e s d i f f e r e n tf l o wp a t t e r n ss u c ha sb u b b l yf l o w ，p l u g l i k ef l o w ，m i x e df l o wa n d a n n u l a rf l o ww e r es e e ni nt h es t a b l eo p e r a t i n gs t a g e t h ef l o wd i r e c t i o no f w o r k i n g s u b s t a n c em a yc h a n g ew h e nt h eh e a t i n gp o w e rc h a n g e so rw h e nt h eh e a t i n gp o w e ri s h i g h t h e r ei sm o r eg a s e o u ss t a t ew o r k i n g s u b s t a n c ew h i c hf l o w sm o r eq u i c k l ya n d h a sar e l a t i v e l yh i g h e rt e m p e r a t u r ei nt h ep i p e si nw h i c ht h ew o r k i n gs u b s t a n c eg o e s u p t h ep h pw i t hh i g h e rf i l l i n gr a t i o sc a na d a p tt oaw i d e rr a n g eo fh e a t i n gp o w e r ， t h o u g ho p e r a t i o nm a yb eu n s t a b l ew i t h i nc e r t a i nr a n g eo fh e a t i n gp o w e r r e l a t i v et o t h eh e a t i n gs e c t i o n ，t h ew a yo f h e a t i n go rt e m p e r a t u r eo ft h ec o o l i n gw a t e r t e m p e r a t u r em a y c a u s et h eg r e a t e rt e m p e r a t u r ep u l s a t i o na m p l i t u d ei nt h ec o o l i n g s e c t i o n c o m p a r e dt oa c e t o n e ，d i s t i l l e dw a t e rw i t hl a r g e rl a t e n th e a to fv a p o r i z a t i o n s h o w sah i g h e rp e r f o r m a n c ew h e nt h eh e a t i n gp o w e ri sh i g h e r t h e p e r f o r m a n c e 。ft h ep h pu n d e rh i g hh e a t i n gp o w e ri sa n a l y z e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so f t h ev i s u a l i z a t i o np h e n o m e n a ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t so f t h et h e r m a l j a b 。r a i o r y b e n c ha n dat h e 。r e t i c a lr o o d e l a ni r r a t i 。n a la s p e c t 。f t h em 。d e li s p u t f o r w a r da n dt h ew a y t oi m p r o v ei ti sp r o p o s e d k e y w o r d s ：p u l s a t i n gh e a tp i p e ，v i s u a l i z a t i 。n ，s t a r c u pp e r f o r m a n c e s t a b l e o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e 第一章绪沦 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年米，电子产品已经出现在了社会的各个角落。随着科学技术的发展和社 会应用的需要，当今电子产品的小型化趋势越来越快，集成度越来越高，但对其 性能要求的升高使其功率越来越大，因此电子产品的单位容积发热量大大提高， 例如，大型计算机的芯片热流密度已经高达2 0 0 w o n # 2 【1 l 。另外，工作温度对电 子元器件的正常工作有很大的影响，相关资料显示【2j ，5 5 以上的电子元件失效 是由于温度过高引起的。因此，散热问题成为了当今电子产品稳定运行和继续发 展的关键性问题。 目前在电予芯片中较为普遍应用的冷却手段是利用固体金属散热片散热。随 着芯片数据存储密度及其相应的热流密度增加，金属散热片与空气进行强制对流 换热的能力已趋于极限【3 j 。因为将电予芯片产生的热量快速地散失到外界环境 中，需要相对较人的散热面积，微小但热流密度高的热源依靠金属的热传导将热 量散失到外界环境中的过程是不能满足要求的，所以更加高效，微型化的传热装 置的研发才能为电子产品的发展铺j i z 道路。膜状冷却技术 4 】具有较高的传热性 能，但是空间的限制使其应用范围有很大的局限性；喷射冷却 5 伯勺散热能力较高， 传热系数可以达到1 0 4 w ( m 2 k ) ，但其运行的可靠性没有保障；热电冷却 6 】装 置具有结构紧凑、可靠性1 苛、无噪音、无移动部件、能够实现精确的温度控制等 优势，但是其效率较低，成本较高；微通道散热器【7 】理论上的散热能力可以达到 1 0 0 w c l l l 2 ，但是对其冷却机理的认识还不成熟，需要进一步的研究。 冷却热管技术峭j 是一种利用热管将电子器件产生的热量传输到冷却段，进而 将热量带走的技术。传统热管的结构和工作原理如图1 1 所示。热管利用自身工 质的相变实现热量传递，具有结构简单、导热性好、无运动部件、工作可靠等特 性，基于这些特性，热管在许多不同的领域都有很好的发展和应用。但是由于传 统热管存在毛细力传热极限和携带传热极限，限制了其更为广泛的应用。上世纪 九十年代初，日本学者a k a c h i t g 首次提出了脉动热管的概念，它有别于传统热管 的一些特性使其成为了在微电子元器件冷却等高热流密度散热方案中一种极具 发展和应用潜力的传热元件。 竺：里堑兰 - q 1 2 脉动热管简介 蒌冀岛 。：延管营壳 叫 篷蕊段 i 0 骖 冈1 1 传统热管的结构和工作原珲 1 2 1 脉动热管的基本原理和分类 冷去l j 魏一 绝熟酸 加热段 充液管 w f 汀f ： 图1 - 2 脉动热管基本原理 2 汽泡 液寒 1叫；一 ，；i ；f ；章绪沦 脉动热管是充有工作介质的封闭蛇形回路毛细管，两端分别为加热段和冷却 段，中部为绝热段，绝热段也可省略。脉动热管基本原理如图1 - 2 所示，脉动热 管内的工质在管内形成串联的气塞和液塞，在加热段，气泡或气柱与管壁之间的 液膜将不断受热蒸发，导致气泡膨胀，压力升高；同时在冷却段，气泡将冷凝缩 小并破裂，压力下降，致使加热段和冷凝段之间产生了驱动压力差，推动气、液 段塞在加热段和冷却段之间往复运动，热量从一端传向了另一端，从而实现热量 的传递。 脉动热管需要满足的两个基本条件为小管径和回路的反复弯折【1 0 。脉动热管 的管径需要在一定的范围内才能发挥其传热性能，其直径范围可用下式计算： o 7 lo l g ( 聊坤一p 印) i d 1 8 lo l g ( 岛w p 、印) l (11la l ) 广，、1厂，、1z 式中万工质的表面张力f m ) ； 岛。工质的液体密度( 船i 7 3 ) ： p 。，工质的蒸气密度( 堙i 坍3 ) ： g 重力加速度( 堙) 。 脉动热管按结构分可分为闭合回路结构和开放回路结构两种基本形式，回路 型脉动热管的首尾是相通的，而开路型是不相通的，如图1 3 所示。有研究表明 j ，闭合回路型脉动热管更利于工质的单向循环，因此比开放型有更好的传热性 能。为了控制闭合回路脉动热管工质的单向流动方向，可以在回路中加入单向阀， 如图l 一3 ( c ) 所示。单向阀有助于提高脉动热管的传热效率，但脉动热管的微型化 使其可操作性很小。脉动热管还可以分为管式和板式两类【1 2 】，如图1 4 所示。其 中板式脉动热管是在板上铣出不同形状的槽道盖好盖板进行密封而成的，板式槽 道的横截面可以是方形，三角形或其它变截面形状。 ( a ) 闭合回路结构( b ) 丌放回路结构( c ) 带单l 柚l 翻的闭合回路结构 图1 3 脉动热管的基本结构形式 第，章绪沦 1 2 2 脉动热管的特点 图l 一4 管式和板式脉动热管 相对于传统热管，脉动热管有许多a 身的优势： ( 1 ) 白j 实现高热流密度传热 脉动热管的整体尺弋j j 、，实现了脉动热管的小型化，可应用于小型，精密设 备的散热；另外，脉动热管优良的传热性能，同样体积的脉动热管可以传输更大 的热流密度。而传统热管的弋寸过小时会在管内形成气液塞，使其难以正常运行。 ( 2 ) 结构简单，成本低 脉动热管无需吸液芯，降低了运行中的热阻，结构相比传统热管要简单得多， 因此成本低。 ( 3 ) 有更高的传热极限 由脉动热管的传热机理可知，当热流密度很大，蒸发很快的时候，气泡膨胀 加快，液体总能及时回流到热端。因此脉动热管不易被烧干，传热率较高。n i s h i o s 副等通过实验指出：脉动热管的性能远高于相同直径具有最大传热能力的传统 热管，有效导热系数是相同直径铜棒的5 0 0 倍。 ( 4 ) 适应性强 脉动热管的形状可以随应用场合的不同变换，而且加热段、冷却段和冷凝段 的布置也有较高的灵活性，有利于其微型化：另外，脉动热管在一定条件下还可 以用于顶加热和水平加热的方式，这就大大增加了它的适用性，扩大了脉动热管 的应用领域。 第一章绪论 1 2 3 脉动热管的应用 脉动热管自从问世以来，已经历了理论研究，实验论证等阶段，目前已在电 子冷却、化工、能源等等领域有了一些实际应用。日本的t s h e a t r o n i c s 公司开 发了h e a t l a n e 、k e n z a n 等一系列用于电子冷却的商用产品【h 】【b 】。利用脉 动热管原理研制的k e n z a n f i n 是一种针对电子器件热控制非常有效的非直接 冷却器，它的蒸发器被焊接在加热垫上，其余部位作为辐射肋，如图l - 5 ( a ) 所示。 另外，脉动热管可以作为笔记本电脑的c p u 散热系统，如图- 5 ( b ) 。基于脉动 热管的高热流密度，易于微型化等特点，其应用主要集中在大规模集成电路芯片 和多芯片模块的热控制上，其相关产品如图1 5 ( c ) 所示。 脉动热管作为一种结构简单，高效率，低能耗的传热元件，在其它工业领域 也有广阔的应用前景。商福民等【怕】学者发明了一种以脉动热管为主体的用于余热 回收的耦合式脉动热管换热器，如图1 - 6 ( a ) 所示，此换热器克服了以往余热回收 散热器的结构复杂，换热效果差，成本高的缺点，充分发挥了脉动热管结构简单， 整体尺寸小，传热性能好等优势。p m e e n a 等学者【1 7 】对一种带有阀门的环路型 脉动热管空气预热器( 图1 - 6 ( b ) ) 进行了实验研究和测试，并取得了较为理想的 效果。林天伦等【l8 】设计了一台脉动热管式换热器，用于空调排风的余冷回收利用， 研究表明，此种换热器有一定的优势，但需进一步的改进结构，提高其效率。 ( a ) k e n z a n f i n 产品设计 ( b ) 笔记本c p u 散热器 = = 警0 粤! r - ? ? ：- = 寰产岩墨墨州， 誊虿霍雾藩! 雾鬻毒蓄茎雾藿葛鲁曩自蹲睁# 7j 零霹瞳自嘴l 善篷舞 善= = 鲁_ 眵 。! ? - 二，尹，嫦露雪兰罢要! ( c ) 其它电子产品 图1 5 脉动热管在电子冷却领域的应用 5 第一章绪论 蘸嬲 ( a ) 耦合式脉动热管换热器( b ) 空气预热器 图1 6 脉动热管在其它工业领域的应用 1 3 脉动热管的研究现状 脉动热管自a k a c h i l 8 j 提出后，此后十年间的研究进展比较缓慢，直到第1 l 界热管会议上，g i 1 9 j 制作的毛细玻璃脉动热管引起了研究者的兴趣，从此对脉动 热管的研究逐渐活跃起来。 目前为止，对脉动热管的研究主要分为两个方面。一方面，研究者对脉动热 管建立相应的数学模型和物理模型，用以对脉动热管的传热机理进行分析研究。 但是由于脉动热管内复杂的气液两相流和热传递，目前还没有建立起十分完善的 理论模型。另一方面，通过搭建实验台，研究脉动热管运行状态随管径、工质、 充液率、加热方式、加热负荷等因素的变化规律，进而分析脉动热管的传热机理 和运行特性；近几年来，随着脉动热管理论与实际应用相结合的深入，对脉动热 管的一些产品的实验测试和研究也开展了起来。 1 3 1 脉动热管的理论研究现状 脉动热管运行时有很大的复杂性和随机性，目前已经有很多学者提出了一些 理论模型，及对其运行进行数值模拟仿真，但都建立在大量假设的基础上，因此 还未能完善的揭示脉动热管的运行机理。 w o n g 等t 2 0 l 忽略了工质表面张力和液栓与管壁间存在的液膜的影响，通过弹 性阻尼系统模拟法提出了“多弹簧质量阻尼模型”，模拟局部加热，用拉格朗 日法研究了管内汽液栓的运动特性。d o b s o n 2 q 和h o s o d a 2 2 】也利用同样的方法建 第一章绪论 立了模型，前者假设流体与外界环境没有热量传递，后者模型中的传热系数由经 验公式得来。此种方法建立的模型具有很大的局限性。 y u w e nz h a n g l 2 3 ，杨洪海1 2 4 ，s w a n e p o e l l 2 5 1 ，d a z h o n gy u a n 等学者利用质 量守恒、动量守恒及能量守恒理论，通过建立微分方程组对选取的控制单元进行 数值求解。y u w e nz h a n g 2 3j 的计算忽略了表面热阻和惯性力项，验证了脉动热管 内的显热传递量要远火于潜热传递量，d a z h o n gy u a n 2 6 t 钓模型发现显热传热量 占总传热量的8 0 左右。杨洪海等1 2 4 1 学者研究发现可将气液表观速度绘制在现 有的流型图上，以预测脉动热管内各部分的流型。此类模型可以得到部分液塞的 脉动规律和气泡压力脉动规律和某些结论，但忽略了气泡的生成、破裂以及流型 的变化过程，与实际情况还有一定的差距。 崔晓钰【2 7 、k h a n d e k a r 2 8 】等学者通过神经网络法对脉动热管的热传递过程进 行建模，在大量实验数据的基础上，通过对比分析证明输入数据与实验数据最大 相对误差在6 9 ，说明该方法在一定范围内可以用来预测脉动热管的传热特性。 k h a n d e k a r 等【2 9 学者在对脉动热管进行理论分析的基础卜，结合大量实验数 据，得到了无量纲半经验实验关联式： g = 0 5 4 ( e x p ( ) ) 。娟协p r l i q o 2 7o j 8 14 3 n 枷7 ( 1 2 ) 式中 印热流密度： 实验台倾角： k a 卡门数： p r 普朗特数； 砌雅克比数； 弯头数。 该模型与实际的误差在3 0 左右，在实际应用中仍有很大的局限性，有待一丁 进一步的完善和发展。 h u s e y i ny a p i c i 等【3 0 j 通过对脉动热管内层流流型进行模拟，利用正弦流、阶 跃流、斧型流进行了多组的实验分析，探讨了管内工质平均流速、脉动周期和振 幅和换热效率的关系。 m i y a z a k i 等【3 l j 在大量实验数据的基础上，总结出了脉动热管的自激振荡的 分析模型，导出了压力自激振荡的波动方程并得到了波动速度的解。曲伟等【3 2 , 3 3 1 通过关联脉动热管加热段和冷却段的传热、进出口气液密度、容积流率、运行动 力和阻力等实验数据，对工质的流动和传热进行了耦合求解，并得m 了模型的控 制方程。他们的研究结果表明，潜热传热决定了大功率脉动热管的驱动力和工质 流动速度，而显热传热决定了净换热量的大小：脉动热管壁而的温度波动取决于 工质的显热传热和循环流动速度。 第章绪沦 1 3 2 脉动热管的实验研究现状 自从脉动热管问世以来，对脉动热管同路形式、截面形状、工质种类、倾斜 角度、充液率、加热功率等各因素对脉动热管启动阶段和稳定运行阶段传热性能 的影响一直是实验研究的重点内容；随着对脉动热管运行理论理解的加深，对脉 动热管内部流型及运行过程的可视化实验研究随之开展；伴随着脉动热管在t 业 实际应用上的发展，对一些脉动热管产品的实验研究也多了起来， ( 1 ) 脉动热管传热性能的影响参数 k h a n d e k a r i j 4 j ，曹小林等 3 5 j 的实验研究表明，加热方式影响脉动热管的正常 启动。k h a n d e k a r 发现脉动热管可以在底加热方式下正常启动，而在水平加热或 顶加热时不1 定可以肩动。曹小林通过对不同环路数日、允液率、加热功率下水 平加热和顶加热方式时的脉动热管进行实验研究，发现当超过一定的环路数目并 且功率足够大时，脉动热管可以在水平加热时正常启动。c h a r o e n s a w a n l 3 6 1 则发现 当环路数目达到1 6 这一临界值时，脉动热管才可能在水平加热方式下启动。 a k a c h i 3 7 j 指出，环路数目达到4 0 后，脉动热管可以在- l 页d i ：i 热的方式下运行，环 路数目达到8 0 时，脉动热管可以适应各种加热方式。 k h a n d e k a r 【j 引、x u 0 9 1 的实验观察到了脉动热管的不同启动方式。k h a n d e k a r 认为由于脉动热管内初始气液分布的不同，造成了在同一加热功率下脉动热管存 在两种不同的启动方式，渐进式启动有较长的启动时间，突进式启动的启动时间 非常短。x u 把脉动热管的启动分为两类：有明显温度波动的启动过程和光滑连 续的启动过程。王磊1 4 0 根据脉动热管启动时的温度脉动曲线把脉动热管的启动分 为三类：温度突变型，温度渐变型和温度j i 稳过渡型，并提出了真假启动点的概 念，将脉动热管从启动到稳定运行分为三个阶段能量积累阶段，过渡阶段及 稳定运行阶段。孙海涛 4 1 1 引入肩动点和最小肩动功率的概念对脉动热管的启动特 性进行分析，实验研究发现，启动时间随着加热功率的增加缩短，当加热功率超 过某一个值后，启动时问趋于一致。 c h a r o e n s a w a n 等o j 研究了管径和截面形状对脉动热管热性能的影响，研究 发现，当量水力直径相同时，矩形槽脉动热管的热阻较小。商福民等旧制作了截 面为椭圆形非均匀结构型式的黄铜脉动热管，实验研究表明，当加热功率足够大 时，非均匀截而结构的脉动热管可以达到强化传热的目的。a h l e mb e n s a l e m 4 3 对给定充液率下，冷却水浴温度和加热功率对脉动热管的传热性能进行了实验研 究，研究表明，在充液率为6 0 的条件下，当水浴温度为6 0 。c 时，脉动热管有 最好的传热效果。h o n g h a iy a n g 等1 4 4 对i l 二板脉动热管的实验研究发现，当倾角 从9 0 。到一9 0 。变化时，热管的性能逐渐降低，传热性能随加热功率的增大变好， 第1 章绪论 但脉动热管存在一个最大热负荷，他们的研究还表明在底加热的情况下，1 5 ；f h 4 0 是最佳充液率，水平加热的条件下，当功率小于1 5 0 w 时，最佳充液率为4 0 ， 功率大于2 0 0 w 时，5 0 为最佳充液率。k h a n d e k a r 等【4 5 j 的研究发现，脉动热管 的最佳充液率随着工质的不同而不同，当工质为蒸馏水时，最_ 火传热量出现在充 液率为1 5 3 0 h , t j - ，当工质为乙醇时出现在2 5 5 5 的范围内，当工质为r 1 2 3 时， 最人传热量出现在充液率为3 5 6 0 的范围内。 k h a n d e k a r 等 4 5 , 4 6 1 总结了脉动热管工质应具有的特性：( 1 ) 较高的饱和压力梯 度：以在较小温差时能提供足够的克服流动阻力的动力；( 2 ) 较低的动力粘度： 产生的流动阻力较小；( 3 ) 较低的表面张力：产生的毛细滞后阻力较小；( 4 ) 较低 的汽化潜热：气泡生成和消失相对较快，能更好为工质流动提供驱动力；( 5 ) 较 高的比热窖：单位质量能传递的热量相对较高。近年来的研究发现，不同的工质 在不同工况下所体现出来的性能也有所差异。z h a n g 等【4 7 j 对以f c 7 2 ，乙醇和水 为工质的脉动热管做了对比实验，结果表明，充灌f c 7 2 和乙醇的脉动热管启动 所需的加热量要小于以水为工质的脉动热管，f c 7 2 为工质的脉动热管在运行阶 段脉动幅度较小、脉动周期较短，运行较稳定，所以当加热功率较低时，应选择 充灌f c 一7 2 或乙醇的脉动热管，而高功率下宜采用水为工质的脉动热管。除了常 规工质，近年来对充灌纳米流体的脉动热管的实验研究引起了研究者的兴趣。商 福民等1 4 8 】对铜水纳米流体脉动热管的传热性能进行了研究，结果表明，在功率 较低时，铜水纳米流体脉动热管的传热性能优于工质为蒸馏水的脉动热管，但 在高功率的条件下，可能南于纳米颗粒的“团聚”及稳定剂的影响，脉动热管的 传输性能出现反常现象。y u l o n g 等1 4 9 】对不同直径a 1 2 0 3 颗粒对脉动热管传热性 能的影n 向进行了实验研究，研究表明，a 1 2 0 3 颗粒对脉动热管的传热性能有较明 显的影响，并与颗粒大小相关，在运行温度为2 5o c ，输入功率为2 0 0 w 时，在 所有溶有不同直径颗粒的工质中，充灌直径8 0 n m 的a 1 2 0 3 颗粒水溶液的脉动热 管有最好的传热性能，热阻大小为0 11 3 0 c w ，另外，实验结果显示，所有直径 的a 1 2 0 3 颗粒均能改善脉动热管的启动性能。 ( 2 ) 可视化实验研究 t o n g 等【50 j 利用c c d 技术对脉动热管进行了可视化实验，实验发现，脉动热 管在刚启动时有较大的脉动振幅，当脉动热管稳定运行时，工质形成稳定的单向 脉动循环；实验l 一观察到了核态沸腾及气泡合并等过程。l e e 等【5 】对板式脉动热 管进行了可视化实验，观察到了管内不同的流型，气泡的生成和运动，发现脉动 热管加热段的典型流动是核态沸腾和气泡脉动，实验未观察到工质的循环流动， 液体回流是壁而层流流动，不是如圆管脉动热管的气液段塞流。曹小林等 5 2 , 5 3 】 对脉动热管进行了部分可视化实验，实验观察到了脉动热管稳定运行时两种流 第一章绪沦 型：弹状流，环状流或半环状流。曲伟等1 5 4 , s 5 1 5 q 脉动热管进行了半可视化实验研 究，当加热功率较小时，观察到了管内工质的间歇性脉动，加热功率较人时，工 质为单向脉动流动，实验还通过可视化结论分析了加热功率、倾角、加热段位置 等对脉动热管传热性能的影响。 ( 3 ) 脉动热管相关产品的实验研究 杨彬等【5 6 】设计制作了可用于航天器热控制的嵌入式脉动热管扩热板( 图 1 7 ) ，并对其进行了性能测试，分析了加热功率、倾角、充液率等凶素对脉动 热管扩热板传热性能的影响，研究表明，脉动热管对扩热板传热性能有较大的影 响。邓阿强【57 j 将板式脉动热管应用于大功率l e d 散热，开展了大功率l e d 板式 脉动热管水冷实验，研究表明，l e d 功率越大，板式脉动热管的冷却效果越好； 此外还进行了大功率l e d 翅片式板式脉动热管( 图1 8 ) 强制风冷实验，达到了 非常显著的冷却效果，当处于4 0 0 c 环境时，翅片式板式脉动热管的启动时问要 比处于0 0 c 更短。屈健等【5 副利用m e m s 技术在硅基芯片上加工制作了梯形截面 的微型脉动热管，并对其进行了可视化实验，实验观察到了泡状流、塞状流、环 状流、半环状流和波环状流，在热管的冷却段还观察到了持续稳定的喷射流，另 外，实验发现此微型脉动热管对倾斜角度的适应性较好，但更容易被烧干。林天 伦掣1 8 j 设计加工了一台脉动热管式换热器用于夏季工况空调排风的余冷回收，实 验结果表明；余冷回收效率随新风、排风温差增大而升高，随风速的增大而降低， 该换热器有其优势，但需要改进结构，提高效率以适应实际应用的需要。 爨曼 季霉耩 。蠢塞塑 ，i 蠢薹 图l 一7 嵌入式脉动热管扩热板系统 图i - 8 翅片式板式脉动热管实物图 第章绪论 1 4 本文的研究方法和目标 1 4 1 研究方法 通过脉动热管热性能实验，得到脉动热管在各工况下的温度脉动曲线，结合 脉动热管可视化实验现象，分析加热功率、充液率、工质、倾斜7 f ：i 度等因素对脉 动热管启动特性的影响；通过稳定运行阶段的温度脉动曲线和可视化实验现象， 分析和评价脉动热管的运行性能。 1 4 2 研究目标 确定脉动热管的肩动条件，肩动阶段和过渡阶段的传热性能，是保证脉动热 管产品可靠运行的关键；分析脉动热管稳定运行时的影响因素，充分了解其传热 能力，为提高脉动热管产品的效率和稳定性有重要的意义；对脉动热管运行机理 的深入理解，是脉动热管广泛应用的前提。本课题通过实验分析研究脉动热管的 启动和运行性能，对脉动热管的运行机理研究进行探索，为实现脉动热管的优化 设计提供数据和理论支持。 第二章脉动热管实验系统 第二章脉动热管实验系统 本课题实验系统由两部分组成：脉动热管的热性能实验系统和脉动热管的可 视化实验系统。通过脉动热管的热性能实验台得到脉动热管随工；兄的不同，热管 内工质温度、压力等参数的变化；而清楚地了解脉动热管内部工质的流向、流型 和流态的变化，是准确的对脉动热管性能进行理论分析和建模的基础，因此，脉 动热管的可视化实验台也是实验关键的组成部分。 2 1 脉动热管实验装置 2 1 1 脉动热管热性能实验系统 脉动热管的热性能实验系统如图2 1 所示，此系统主要包括铜质脉动热管及 其充液和抽真空装置、倾斜角度可调的实验台架、加热装置、冷却装置和数据采 集装置五部分。 图2 1 实验系统图 ( 1 ) 脉动热管及其充液和抽真空装置 1 2 第二章脉动热管实验系统 铜质脉动热管( 图2 2 ) 的内径为2 m m ，外径为4 r a m ，通道弯数为1 0 ， 脉动热管的整体尺寸为5 4 0 5 2 0 r a m 2 ，加热段为l5 0 m m ，绝热段长度为 2 2 0 r a m ，冷却段的长度为1 5 0 m m 。压力传感器、充液u 和抽气u 连接在如图所 示四通结构上。其中压力传感器为m p m 4 3 7 0 型压阻式智能压力变送器，测量范 围为0 1 o m p a ，精度为0 2 5 f s ，压力传感器弓a g i l e n t3 4 9 7 0 a 型多通道数 据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连，可实现对脉动热管内压力数据的实时 监控和采集。充液装置为一次性针头。拙真空装置为型号f y i h 的旋片式真空 泵。 ( 2 ) 实验台架 图2 - 2 脉动热管整体尺寸 真空表 振荡热管 z一一一l 一 剥 瓯可调 望胶板一菇、4 是栝 上 上 图2 - 3 实验台架简图 实验台架( 图2 3 ) 的金属和支架均铁质材料加工而成，台架上固定了一张 尺寸为11 0 0 6 0 0 m m 2 的塑胶板，板厚为9 r a m ，塑胶板上用螺栓固定有脉动热 管，实验台底座尺寸为6 0 0 4 0 0 m m 2 。为了研究倾角对脉动热管传热性能的影 第二章脉动热管实验系统 响，实验台架应该是可变角度的，台架可以根据实验要求在螺栓轴线方向上作 一9 0 。9 0 。范围内的转动。 ( 3 ) 加热装置 热性能实验台的加热装置由电加热丝、调压变压器、电子功率表等设备组成。 电加热丝材质为镍铬合金，电阻率1 0 9 脾吖”，缠绕在脉动热管的加热段，直径 0 6 r a m ，总长5 3 3 m 。实验中通过t d g c 2 1 k 型调压变压器控制加热功率，其输 入电压为2 2 0 v ，最大输出功率为1 0 0 0 w 。实验选用的功率表为b h s p 型单相有 功功率表，额定输入为a c 2 2 0 v 1 0 a ，精度为0 2 级，测量范同为0 2 2 0 0 w ，可 以准确读取加热功率读数。 ( 4 ) 冷却装置 冷却装置由低温恒温槽、转子流量计和冷却水循环水箱组成。低温恒温槽型 号为d c 2 0 0 6 ，控制温度范同为一2 0 1 0 0o c ，控制温度精度到0 1o c ，低温恒温槽 内置外循环泵，口j 以为冷却段提供恒定温度的循环冷却水。本实验使用l z b 1 0 型转予流量计控制冷却水的大致流量，并且采用多次称重取平均值的方法来精确 计算冷却水流量，称重用电子称读数r 口j 精确0 0 1 9 。冷却水循环水箱的整体尺寸 为6 1 0 1 6 8 2 5 r a m 3 ，脉动热管的冷却段安装在循环水箱内。 ( 5 ) 数据采集装置 如图2 1 所示，脉动热管上布置有2 3 跟热电偶，另外在冷却水循环水箱的 进出口处各布置了一根热电偶，实验所用热电偶为直径o 3 r a m 的t 型热电偶， 热电偶与a g i l e n t3 4 9 7 0 a 型多通道数据采集仪相连，数据采集仪与计算机相连。 数据采集仪的测量误差为0 1 5 。c ，每隔两秒扫描一次，可以实现对脉动热管各测 点温度和冷却段进山口水温进行实时记录。 2 1 2 脉动热管可视化实验系统 脉动热管的可视化实验系统如图2 4 所示。可视化实验装置包括玻璃脉动热 管及其充液和抽真空装置、倾斜角度可调的实验台架、加热装置、冷却装置和图 像采集装置。 脉动热管的可视化实验装置与热性能实验装置有部分设备是共用的，如充液 和抽真空装置，实验台架，加热装置中的调压变压器和电子功率表，冷却装置中 的低温恒温槽和转了流量计。 可视化实验脉动热管结构尺寸如图2 5 所示，脉动热管由耐热玻璃加工而成， 整体尺寸为2 7 0 2 8 0 r a m 2 ，管i nj t i 三为3 0 r a m ，加热段长度为8 0 m m ，冷却段长度 为1 0 0 m m 。管内径为2 5 m m ，外径为6 m m ，通道弯数为1 0 。 1 4 第二章脉动热管实验系统 图2 4 可视化实验装置系统 i 冷 尹飞飞尹飞尹飞 却 o o ，_ 卢_ o o h _ t 一 _ _ 加 热 c ) c o 段 3 0 3 0 i娆犁 、弋影 过多蟛坠之 、秀 2 i，o i 图2 5 可视化脉动热管整体尺寸 可视化实验台采用两块电加热板并联对脉动热管加热，每块加热板的尺寸为 1 6 5x8 0 r a m 2 ，加热功率和温度范围均能满足本实验的需要。如图2 4 所示，脉 动热管冷却段的冷却水循环水箱由有机玻璃制成，整体尺寸为3 0 0 1 0 0 3 0 m m 3 ，它与低温恒温槽和转子流量计为脉动热管冷却段提供恒定温度和流量的 一 一_，。一。一一一一一蠢 囊漂垂鼍r。 “r 毫 第二章脉动热管实验系统 冷却水。可视化实验的图像采集工作由型号为h d r x r l 6 0 e b c 的高清数码摄录 机拍摄完成。 2 2 实验工况的选择 表2 。1 脉动热管选用工质的参数要求 参数要求 理i 表面张力小 潜热小 动力粘度低 f ，d p 、1 古 l 万l 同 由6 ，j 进接触角和后退接触角所产生的附加压力降不应过人 有利于气泡的生成、聚合和破裂 剪切力较小，使摩擦力减小 小温差即引起产生较大的气泡压力变化，有利于管内气液脉动 脉动热管凭借工质的脉动和相变实现热量的传递，所以工质的物性影响着工 质的流动和沸腾状态，对脉动热管的热性能有很大的影响。研究发现 4 5 , 4 6 ，脉动 热管的工质需要具有如表2 1 中所属的特性，才能更好地满足脉动热管的需要。 根据表中所述特性，选用蒸馏水、甲醇、乙醇和丙酮作为脉动热管的工质，工质 的物性参数均可以满足实验要求。 脉动热管的充液率对脉动热管的热性能有很大的影响，相关研究表d ) j 4 4 , 4 5 】， 充液率的不同随着其它工况的不同而有所不同。为了拿面并合理地研究充液率对 脉动热管启动和稳定运行阶段热性能的影响，本实验选取了2 0 、3 5 、5 0 、 6 5 、7 0 年h8 0 五个参考点来进行研究。 表2 2 实验参数取值范围 实验参数 取值 工质 人致加热功率范同 冷却水温度 倾斜角度 充液率 蒸馏水甲醇乙醇丙酮 0 5 0 0 w0 2 0 0 w0 - 2 0 0 w0 3 0 0 w 1 5 ，2 5 ，3 5 3 0 。，4 5 。，6 0 。，9 0 。 2 0 ，3 5 ，5 0 ，6 5 ，7 0 ，8 0 经过上述分析，本实验工况参数范围也得以确定，如表2 2 所示，本实验将通 过监测热性能实验台脉动热管的壁面温度变化结合可视化实验台的实验现象分 析脉动热管的启动和稳定运行阶段的性能。 第二章脉动热管实验系统 2 , 3 实验步骤 脉动热管热性能实验的操作步骤女下： ( 1 ) 首先仔细检查整个实验装置部件之间的连接密封情况和保温材料的包 裹情况。确保部件之间连接密封良好。 ( 2