（轮机工程专业论文）脉动热管的实验研究.pdf

、i 煳 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fo s c i l l a t i n gh e a tp i p e s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a f i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y g u ol i a n g a n ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rm ah o n g b i n p r o f e s s o rp a n x i n x i a n g j u n e2 0 1 1 -、f0丫 毒 ， 1 甲 j ， 毒 番 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明、 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 拯麴垫筐的塞坠受究= = 除论文中已经注明引用的内 容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发 表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密因( 青在以上方框内打“ ) 做作者躲椰鼋驴师签均f 日期：劢年勿谤 一t， 曼 一 ， q 咚 i 。 过 p 中文摘要 摘要 日益小型化的电子器件和设备的散热问题促使脉动热管这种新型高效的传 热元件得到越来越广泛的研究。与普通热管不同，脉动热管是集相变传热、显热 传热于一体，涉及多学科的复杂的汽液两相流系统，具有高效传热潜力，应用背 景广泛的优点。本文在建立完善的实验台的基础上进行了脉动热管可视化、启动 及特性实验，研究影响脉动热管流动和传热的主要因素。可视化实验是通过红外 热像仪对脉动热管表面温度进行瞬态记录实现瞬态观测脉动热管的温度变化，从 而间接观测脉动热管内流体流动情况，发现了脉动热管启动时的脉动特征以及功 率增加对脉动流动的影响。发现了工质种类、充液率、加热方式、倾斜角度、加 热功率等都大大影响脉动热管传热性能。此外还发现工质种类直接影响启动性能； 当加热功率增加，脉动热管的热阻大大减小；所研究的工质为水的脉动热管在输 入功率为2 0 0 w 其热阻可达到0 11 7 1 k w 。， 关键词：脉动热管；相变传热；脉动流动；强迫对流 i 一1 一 乒 门 英文摘要 a b s t r a c t w i mt h em i n i a t u r i z a t i o no fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa n ds y s t e m s ，邪w e l l 勰 c o n t i n u o u si n c r e a s ei nt h ep o w e rd e n s i t y , t h eo s c i l l a t i n gh e a tp i p e ( o h p ) p l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h et h e r m a lm a n a g e m e n t t h eo h p u t i l i z e sp h a s ec h a n g eh e a t t r a n s f e ra n do s c i l l a t i n gm o t i o nt ot r a n s p o r th e a t ，w h i c hi sr e l a t e dt oc o m p l e xh e a t t r a n s f e rm e c h a n i s m ，s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n dm e c h a n i c a ls y s t e mv i b r a t i o n t h e o h pc a l lp r o v i d ea ne x t r ah i g hh e a tt r a n s p o r tc a p a b i l i t yr e s u l t i n gi nw i d ea p p l i c a t i o n s i nt h ec u r r e n ti n v e s t i g a t i o n , a l le x p e r i m e n t a ls y s t e mw a se s t a b l i s h e da n de x t e n s i v e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e nc o n d u c t e di n c l u d i n gv i s u a l i z a t i o n ，s t a r t u p ，a n d s t e a d y s t a t ee x p e r i m e n t si no r d e rt of r e dt h ep r i m a r yf a c t o r si n f l u e n c i n gf l u i df l o w a n dh e a tt r a n s f e ri na l lo h p t h ev i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n tw a sc o m p l e t e du s i n ga n i n f r a r e dc a m e r at om e a s u r es u r f a c et e m p e r a t u r ev a r i a t i o no ft h eo h p , w h i c hc a n i n d i r e c t l yf i n dt h eo s c i l l a t i n gm o t i o no fl i q u i dp l u g sa n dv a p o rb u b b l e si na i lo h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a r g i n gr a t i o ，w o r k i n gf l u i d ，h e a t i n gm o d e ，t i t l e da n g l e ，a n d i n p u tp o w e rs i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h eo s c i l l a t i n gm o t i o na n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e a n dt h es t a r t u po fa l lo h pi sd e p e n d e n to nt h ew o r k i n gf l u i d w h e nt h ep o w e r i n c r e a s e s ，t h et h e r m a lr e s i s t a n c eo f t h eo h p s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e s a tap o w e ri n p u t o f2 0 0 w , t h eo h pc a na c h i e v eat h e r m a lr e s i s t a n c eo f0 117 1k wf o rt h ew a t e ro h p i n v e s t i g a t e dh e r e i n k e yw o r d s ：o h p ；p h a s ec h a n g eh e a tt r a n s f e r ；p u l s a t i n gf l o w ；f o r c e d c o n v e e f i o n l飞l， p ， 只 1 ， 一 n ， 一， 气 盏 l l ，、 含义 邦德数 欧拉数 重力加速度 汽化潜热 长度 热量 ，、= j ：皇 密度 表面张力 液体 饱和状态 蒸汽 冷凝段 蒸发段 单位或公式 肋：星! 旦二堡2 y 肋= 等刖。 m s 2 i c j k g 孑瀚 徽 黼 捌嬲效 励 助 g l q 椭 p 。砾 。 鼬 v c v l ： j l l 目录 目录 第1 章绪论l 1 1 研究意义。1 1 2 研究现状2 1 2 1 实验研究2 1 2 2 理论研究9 1 3 本文研究内容1 l 第2 章脉动热管的结构与工作原理一1 3 2 1 结构。1 4 2 1 1 分类与特点1 4 2 1 2 管径15 2 2 工作原理1 6 2 3 优点17 2 4 应用17 第3 章脉动热管实验台一2 0 3 1 脉动热管测试件的设计与制作2 0 3 2 实验工质选择。2 3 3 3 实验装置2 4 3 4 充液和实验过程。一2 6 3 5 本章小结2 7 第4 章实验结果与分析一2 9 4 1 实验的主要内容以及工况2 9 4 2 脉动热管的瞬态与稳态结果分析2 9 4 2 1 水浴温度影响3 0 4 2 2 加热功率影响3 2 4 2 3 倾角影响3 4 4 2 4 冷却水流量影响3 7 4 2 5 脉动热管瞬态分析一4 2 4 3 热像仪图片分析j 4 3 4 3 1 水脉动热管功率2 0 w 时的结果4 4 4 3 2 水脉动热管功率5 0 w 时的结果4 7 4 3 3 水脉动热管功率2 0 0 w 时的结果一4 9 4 3 4 乙醇脉动热管启动5 3 4 4 本章小结5 4 第5 章结论与展望5 5 参考文献5 7 致 谢6 2 脉动热管的实验研究 第1 章绪论 1 1 研究意义 随着电子以及相关行业和科技的不断发展，电子元器件单位面积的集成度越 来越高，功率也越来越大，散热量也越来越多。由大量电子元器件组成的电子装 置产生的热量若不能有效散出，将会直接影响这些电子元器件性能和功能。而且 单位面积的功耗密度的不断地增大也对电子元器件的正常使用提出了挑战。比如： 2 0 0 0 年大型计算机的芯片热流量基本上已经超过1 0 0w c m 2 ，现在最大已达2 0 0 w c m 2 1 1 。另一方面，温度对电子元器件的工作性能影响很大。对n b 的c p u 来说， 当室温为3 5 时，当c p u 正常工作时其内部温度必须小于1 0 0 。若超过此温度， 则处理器寿命大大减小。为了满足产品运行的稳定性，笔记本公司把9 5 设定为 控制规格。如果散热系统的设计不合理，将有可能造成很严重的后果，轻则因电 子装置的误动作使其准确性和稳定性等方面的性能下降，重则会因一个电子元件 发生故障而造成整个机器的报废。因此可以说，散热设计的好坏对电子元件的正 常工作起着至关重要的作用。电子元件小型化和集成化的发展趋势，对散热系统 的设计提出了散热量更大且效率高、更加灵活、更加紧凑、更加可靠和维修更方 便的要求。从而为现代传热技术的研究和应用提出了新挑战拉】。 为了应对上述挑战，我们可以从以下两个方面着手。一方面是研发新的散热 材料，改进芯片生产技术，另一方面就是寻求可以替代的更加有效地冷却方法。 采用微型热管与脉动热管进行冷却是两个行之有效的方法【3 j 。而脉动热管较微型热 管有许多优点，如高热流密度、无毛细材料、高负荷、成本低等；并且脉动热管 在今天的电子冷却或其他冷却中更具有优势。目前脉动热管在电子领域已经得到 了广泛的应用【2 】。 脉动热管的上述优点决定了它也可以运用在船舶上。比如，柴油机在运行过 程中，活塞在燃烧和膨胀冲程的上止点附近，由于燃油猛烈燃烧，使气缸内的温 度急剧升高，温度达到1 4 0 0 1 8 0 0 ( 2 或者更高。这对制造气缸套、气缸盖和活塞 的材料提出了很高的要求。且随着活塞的往复运动，气缸中空间的温度变化跨度 第1 章绪论 非常大，这对材料提出了更具挑战性的要求，目前生产厂家使用的材料很难满足 以上气缸的工作要求。脉动热管的优点以及灵活的设计方式将是解决这一问题的 有效途径之一。还比如柴油机在工作的过程中，气缸中燃烧所放出的所有热量并 不能全部转化为有效功，只有大约4 0 5 5 的热量转化为有效功，其余的4 5 - - 6 0 的热量转化为各种形式的损失，其中大部分损失的热量随废气损失掉。可以利 用脉动热管的高效传热性把这部分热量重新转化为可用功。可以看出脉动热管研 究将会直接与船舶高效传热和节能装置等研究和应用有关，将直接推动船舶轮机 工程的发展。 1 2 研究现状 自2 0 世纪9 0 年代初，a k a c h i 提出脉动热管并初步证明了可以克服传统热管 的缺点之后，世界各地的学者都开始对其进行研究。目前，对脉动热管的研究主 要分为理论研究和实验研究，其中绝大部分为实验研究。研究者借助于搭建的实 验台来研究脉动热管的传热性能，寻找运行过程中的变化规律，研究毛细管管径、 工作介质、加热方式、充液率、倾斜角度、加热段长度等因素对其运行和传热的 影响，从而认识其传热机理和特性。另一方面，研究者从理论研究入手，建立了 可以更好的帮助认识脉动热管运行和传热机理的物理数学模型，但因脉动热管内 揉合着复杂的汽液两相脉动流动，其运行和传热过程非常复杂，目前尚未建立完 善的理论分析模型。下面分别对这两个方面的研究现状给予介绍。 1 2 1 实验研究 目前，针对脉动热管的实验研究主要分为两部分：一是通过可视化实验研究 脉动流动特点；二是通过测量脉动热管表面温度变化来研究脉动热管流动和传热 特性。 ( 1 ) 可视化和半可视化实验研究 k h a n d e k a r 4 】对由平行玻璃管( 内径2 m m ，外径4 2 r a m ) 构成绝热段的脉动热 管进行了可视化实验研究，如图1 1 所示。此热管用铜管( 内径2 m m ，外径3 m m ) 作弯头将其首尾相接。实验观察了气泡的形状与大小、气泡的结合和破裂的过程 2 脉动热管的实验研究 以及气泡的移动过程；并且观察了前进接触角和后退接触角的存在，不同工质的 接触角不同，接触角的存在将会影响流动的摩擦阻力。 ； 4 黼 缌囊 ， 谚 j p 鳜 i 鳓 ! - i 剩 。； ”；j ? 荔 图1 1 垂直和水平热管的气泡生成与合并示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co f b u b b l ef o r m a t i o na n dm e r g e ri n v e r t i c a la n dh o r i z o n t a lh e a tp i p e s t o n g 5 l 等采用c c d 技术对脉动热管进行了可视化实验，如图1 2 所示。管壳 材料为耐热玻璃。此脉动热管的参数为：尺寸1 6 0 1 6 01 1 1 】m 2 ，内径1 8 m m ，工质 为甲醇，充液率为6 0 ，弯头数为7 。通过实验发现，脉动热管在启动初期工质的 振荡幅度很大，当达到稳定运行时，工质在管道中形成单向脉动连续循环，但工 质可能按顺时针循环也可能按逆时针循环。实验过程中观察到了核态沸腾以及气 泡合并等复杂过程，结果表明脉动热管存在一个最小的临界热流。研究发现由于 流体的循环与脉动，在汽、液塞之间产生的驱动力与回复力共同作用，影响汽、 液塞的流动。 第1 章绪论 t a a l 轴_ * 镛掰苫轴* 碡璐敏一轴l 瓤_ t m 藏# 撬，“籀磊菇勃加。锄渊，锄_ 幺 图1 2 汽泡的生成和合并过程 f i g 1 2b u b b l ef o r m a t i o na n dm e r g e rp r o c e s s l e e t 6 l x 寸利用聚丙乙烯对开槽的铜板进行密封的办法制作的脉动热管进行可视 化研究。槽的横截面尺寸为1 5 m m 1 5 m m ，以酒精为工质，充液率范围为2 0 8 0 ，倾角范围为3 0 0 - - 9 0 0 。实验观察了管内流型，汽泡的生成和运动，研究了充 液率和倾斜角对o h p 管内流型和工质振荡的影响。结果显示核态沸腾和汽泡振动 主要出现在底加热条件下的脉动热管的蒸发段，此时充液率范围为4 0 6 0 。实 验过程中发现工质不能形成循环流动，且液体只能通过壁面流动进行回流供液， 而非以汽液塞形式在回路中流动，这与圆管脉动热管有很大区别。曹小林等【7 ，8 】借 助可视化和半可视化实验对脉动热管的运行情况进行了研究。实验现象显示稳定 运行的o h p 的管内流型是：( 1 ) 弹状流；( 2 ) 环状流或半环状流，运行中偶尔出现弹 状流。同时，实验结果表明o h p 有传热极限。 4 脉动热管的实验研究 r 0h 牲状扳 r7 ， 妨 毋 丫r l 图1 3 单回路管内的流型变化 f i g 1 3 f l o wt y p ec h a n g ei nas i n g l el o o pp i p e 杨洪海和k h a n d e k a rs a m e e r z 等【9 】对用内径均为2 m m 的u 形铜弯头和直玻璃 管制作的脉动热管进行了可视化实验研究，如图1 3 所示。乙醇为工质，实验主要 是为了观察脉动热管运行过程中往复的汽、液两相现象。结果显示单回路系统的 热力性能受重力和流型的影响较大。实验中还发现：完全发展的环状流出现在上 升管内靠近热流体侧，而泡状柱状流出现在下降管内靠近冷流体侧。 曲伟、杨蔚原等【1o 1 1 】对环路型脉动热管进行了半可视化研究，现象表明加热功 率小，流型为间歇振动，而加热功率较大时流型是单向脉动。实验还研究了加热 功率、倾斜角度、蒸发器位置以及不凝性气体等影响因素的作用。 ( 2 ) 脉动热管传热特性影响参数 构造相对简单的脉动热管运行过程中复杂的流动和传热的形成与很多影响因 素有关。k a n d e k a r t l 2 l 将这些影响因素大致归结为三类：一、几何参数：管径、横 截面形状、弯头数、热管总长、蒸发段和冷凝段长度等。二，操作参数：摆放位 置、倾角、加热和冷却方式、热流密度的大小、有无单向阀等。三，物理参数： 主要包括工质物性、充液率等。 管径和横截面形状 c h a r o e n s a w a n 等1 1 3 1 对由不同管径和截面形状的毛细管弯折成的脉动热管进行 了实验研究。得出的结论主要有：( 1 ) 当蒸冷温差一定时，热管的当量水力直径越 5 第1 章绪论 大，传热性能越好；( 2 ) 矩形槽脉动热管的热阻较小：( 3 ) 在当量水力直径相同的情 况下，矩形截面脉动热管的热阻比圆截面脉动热管的热阻低；( 4 ) 圆截面脉动热管 的能够达到更低的热传输能力，且热阻也小。 每 芝 茎 篮 f 孕 善 毫 毒 图1 4 截面各异的脉动热管的热阻、导热系数随加热功率脉动热管的变化规律 f i g 1 4 h e a tl o a de f f e c to nt h e t h e r m a lr e s i s t a n c ea n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya td i f f e r e n tc r o s s s e c t i o n a r e a so fap u l s i n gh e a tp i p e 周岩等【1 4 , 1 5 1 研究了在不同截面形状和水力直径条件下的铜质微平板脉动热管 的运行性能。脉动热管的参数为：工质为蒸馏水、截面形状分别为正三角形和正 方形、水力直径分别为l m m 和1 5 m m 。实验结果表明，当水力直径相同时，正三 角形截面脉动热管的效果更好；而在横截面形状一定的情况下，水力直径稍大 ( 1 5 r a m ) 的脉动热管能够获得更低的热阻值；热阻与热流密度成反比关系，如图1 3 所示。 弯头数和加热段冷却段长度 c h a r o e n s a w a n 1 叼等。主要从管径、弯头数、工质和倾斜角度方面对环路铜质 脉动热管进行了实验研究。文中提到了脉动热管存在临界弯头数。当弯头数比临 界值小时，热管只能在底加热条件下运行；当大于临界弯头数时，热管也能在水 平加热的情况下运行。 此外p i y a n u n ec h a r o e n s a w a n 和p r a d i tt e r d t o o n 1 7 1 研究了热段长度和临界弯头 数对铜质脉动热管的影响作用，还研究了水平加热条件下脉动热管的运行性能。 结论指出临界弯头数与加热段的温度和管的内径密切相关。蒸发段的温度越高， 6 脉动热管的实验研究 管径越大，临界弯头数则越少。当蒸发温度超过7 0 时，内径为2 m m 、1 5 m m 和 l m m 的热管能够运行的临界弯头数分别为1 1 、1 6 和1 6 。实验结果还显示与加热 段长度为1 5 0 m m 相比，加热段长度为5 0 m m 的热管性能更好。因此，蒸发温度和 长度改变对脉动热管的性能影响很大。 汪双凤掣1 8 1 研究了蒸发段长度( l c ) 和冷凝段长度( l 。) 的比例关系和充液率 对脉动热管性能的影响。实验脉动热管的参数：内外径分别为0 9 m m 和1 5 m m 、 全长为1 5 6 0 m m 、工质为r 1 4 1 b 。得出了如下结论：( 1 ) 充液率低时，l e = l 。情况下 的脉动热管有最大的极限传热能力和最小的热阻；( 2 ) 在充液率较高的情况下，不 等长度分配的热管性能好，其中以l e l 。的情况为最好；( 3 ) 在高充液率的情况下， 热管在不同的长度比例条件下的极限热输送能力由大到小的顺序为：l e l 。一l c l c l 。= l c 。 加热位置、加热冷却方式、倾斜角度 b e n s a l e m 1 9 1 对内外径分别为1 2 m m ，2 6 m m 的铜质非环路脉动热管进行了实 验，主要内容为研究在充液率一定的条件下，脉动热管性能随冷却水浴温度和加 热功率的变化情况。结果表明在充液率为6 0 条件下运行的脉动热管能够获得最 好的传热效果，此时的水浴温度为6 0 ，而当充液率为5 0 时则为8 0 。 h o n g h a iy a n g 和k h a n d e k as a m e e r z 等【2 0 l 研究了平板热管的运行性能。脉动热 管参数：4 0 个尺寸为2 m m 2 m m 1 6 5 m m 槽道、工质为酒精。实验结果显示脉动 热管在底部加热情况下传热效果最优；当倾角从9 0 0 逐渐变化到9 0 0 时，热管的性 能逐渐降低。加热功率越大，传热效果越好，但热管存在一个最大热负荷。 曲伟等【2 1 1 对铜水脉动热管进行了半可视化研究。热管的参数：弯头数为4 、 充液率7 5 。实验结果显示：随倾角的增加，热阻是先减小后增加，热阻最小出 现在倾角为6 0 0 的情况下。蒸发段位置的改变对脉动热管的性能影响不大。 充液率 y a n g 等陶研究了多种充液率条件下的平板脉动热管的性能。结果显示充液率 是一个复杂的影响参数。在底加热情况下，1 5 和4 0 是最佳充液率；在水平加热 情况下，功率小于1 5 0 w 时，最佳充液率为4 0 ，而功率大于2 0 0 w 时，最佳充 7 第1 章绪论 液率为5 0 ；充液率为4 0 一- , 7 5 的脉动热管才能在顶加热的情况下运行，且最 佳充液率在5 0 左右。 k h a n d e k a 等【2 3 】对参数为内径为2 m m 、弯头数为5 的铜脉动热管进行了研究， 其中工质为水、乙醇和r 1 2 3 。文中指出：( 1 ) 热管在充液率为2 0 一- 7 0 时以脉动方 式运行，且热阻随着充液率的减小而减小；( 2 ) 最优充液率随工质不同而不同：当 工质为水时，最大传热量出现在1 5 - - 3 0 的范围内；工质为乙醇，最大传热量出 现在2 5 - 5 5 的范围内；当工质为r 1 2 3 时，最大传热量出现在3 5 - - - 6 0 的范围内。 y a n g 等【2 4 】对环路型和非环路型脉动热管传热性能进行了研究，并且对两类热 管的性能在充液率、倾角和加热功率变化的情况下进行了对比。结果显示，它们 可以在任意方向上运行且运行效果良好。文章指出此种情况下最佳的充液率在为 4 0 - - 一7 0 的范围内。 工质物性 k h a n d e r k a x 等f 2 5 ，2 6 】对脉动热管工作流体进行了研究，研究发现工质应该具有的 特性：( 1 ) 饱和压力梯度较高，温度变化不大就会引起较大的压力波动，以便能够 提供足够驱动力；( 2 ) 动力粘度较低，能够产生小的切应力，流动阻力也较小；( 3 ) 潜热较低：传热主要靠显热传递，若流体潜热小，则汽泡形成和破裂快，就能产 生更大的驱动力，便于热管的启动与运行；( 4 ) i z l 热容较高，比热容较高，单位质 量工质能传递更多的能量，在传热量相同的情况下，工质需要量少，流阻减小；( 5 ) 表面张力较低，毛细滞后阻力小。 近些年，除了使用水、酒精、r 1 2 3 等常规工质，许多学者把导热效果好的颗 粒引入到脉动热管中进行研究。m a 等人1 2 7 2 8 1 首先进行了纳米流体对脉动热管性能 的影响，发现纳米流体可大大提高其传热性能。g a o 【2 9 】等研究了a 1 2 0 3 微粒对脉动 热管运行的影响，结果表明：a 1 2 0 3 的加入能够改善脉动热管的传热性能，且有 最优充入量范围。研究指出微粒的加入不会改善导热能力，但会改善对流换热能 力。而w a n g 3 伽同时对比了f s 3 9 e 微颗粒流体、砧2 0 3 纳米流体与纯水三种情况下 的传热能力。当垂直加热时，f s 3 9 e 微颗粒流体是最佳工作流体，且最佳浓度是 1 w t 。当热负荷上升至8 0 w ，热阻下降了o 3 5 0 c w 。当使用水平加热模式时，带 8 脉动热管的实验研究 颗粒流体的优势并不明显。 商福民等【3 1 】研究了c u h 2 0 脉动热管的传热性能，研究结果显示：中、低功率 情况下的与水脉动热管相比，c u h 2 0 脉动热管有更好的传热效果；但在高功率情 况下，纳米流体脉动热管的效果比水脉动热管差，可能的原因是热管充液率低、 纳米颗粒形成沉淀以及稳定剂的作用，具体原因尚需验证。 冯剑超等【3 2 】对以工质为水和体积浓度为1 的t i o e n 2 0 以及c u h 2 0 脉动热管 进行了可视化研究。相同条件下，t i o e n 2 0 和c u h 2 0 脉动热管的热阻比水脉动 热管的热阻小5 0 左右。结果显示，与基流体相比，倾角对纳米流体脉动热管的 传热性能的影响较小；在中、低加热功率时，传热热阻小的特点较为显著。 最近，j i 等【3 3 1 主要研究了舢2 0 3 颗粒对脉动热管运行性能的影。比较了不同直 径的颗粒对脉动热管传热性能的影响。通过实验发现，a 1 2 0 3 颗粒对脉动热管的传 热性能影响显著，并且与颗粒大小有关系。在运行温度为2 5 ，输入功率为2 0 0 w 时，在5 0 n m 、8 0 n m 、2 2 um 和2 0 um 的a 1 2 0 3 颗粒中，以8 0 n m a l 2 0 3 的水溶液 为工质的脉动热管性能最好，热阻为0 11 3 0 c w 。另外还发现，所有颗粒直径的水 溶液都能改善脉动热管的启动性能。 1 2 2 理论研究 目前，对于脉动热管建立的理论模型主要有以下几类： ( 1 ) 弹簧质量阻尼系统模型 z u o 3 4 】将脉动热管简化成弹簧质量阻尼系统。仅仅考虑单汽泡和单液塞的情 况，把汽泡假设成一端，而另一端与液塞相连的固定弹簧，使用二阶非稳态微分 方程来对汽、液塞的振荡进行描述。该模型包含了太多的简化，并且没有考虑汽 液塞的相互作用，导致最后结果与实际情况吻合较差。近年来m a 等1 3 5 1 假设回路 内的工质均处于饱和状态，认为驱动力来自于管内蒸冷段的压差，阻力主要包括 工质与壁面之间的摩擦力和汽塞的变形阻力。在牛顿第二定律的基础上建立了针 对汽液塞的类受迫振动方程。m a 等【3 6 】还对建立的运动方程与换热进行了耦合。模 型主要包括薄膜区的凝结换热、蒸发换热以及因脉动而出现的对流换热，结果显 9 第1 章绪论 示汽液塞的脉动对传热影响较大，可以显著提高换热量。该模型较为简单，容易 理解和计算，比z u o 的模型更为合理。 ( 2 ) 质量、动量和能量守恒模型 s h a f t 等【3 7 】建立了具有开端管路的薄液膜蒸发、厚液膜冷却模型，该模型把汽 塞的大小变化加入了其中。取汽液塞为控制体，利用数值方法对在质量、动量和 能量三个方程基础上建立的传热和运动模型进行求解，获得了液塞的运动规律和 汽塞的压力振荡规律。但该模型因没有把汽泡的形成的过程以及流型的变化考虑 在内导致与实际情况吻合较差。 y u a n 等【3 8 】提出了一个在流体流动与液塞和相邻汽塞之间热传递的数学模型。 借助拉格朗日方法，建立了针对液塞的新的能量公式。与流体流动状态相关的剪 应力条件在液塞运动方程中也有体现。结论是液塞振动的振幅和振荡角频率主要 取决于脉动热管的几何形状和充液率。液塞的初位移对p h p 的正常运作没有影响， 而且本文中的单自由度受迫振动也合理地说明了重力的影响。 c h e n 等【3 9 1 建立一个封闭循环的多汽液塞的脉动热管的数学模型。该模型考虑 了在不同操作条件下此类脉动热管的热不稳定性的影响。文中为了近似c l p h p 非 线性情况采用了多输入单输出( m i s o ) 的方法，而且用线性的近似方法近似代替 此类热管的非线性情况。预测结果表明，可以准确地区分三段对水汽凝结的影响， 同时，也可以预测c l p h p 的传热性能。虽然预测结果与测量结果吻合良好，但是 在模型参数变化很大时，不同的非线性项也包括在内导致该模型不太符合实际。 ( 3 ) 自激振荡模型 m i y a z a k i 等 4 0 l 结合自己的实验结果建立了针对自激振荡的简单的分析模型， 通过模型得出了关于压力的波动方程，并解出了波动速度。针对环路型脉动热管 在稳定条件下的运行，曲伟等 4 1 , 4 2 】建立了物理数学模型。模型中体现了蒸冷段的 热量传递、出口汽液容积流率、进口汽液容积流率、工质密度、运行过程中动力 和阻力等因素，最后获得了传热和流动的耦合解。结果表明，潜热对传热的贡献 大约占3 0 以内；温度的波动主要由显热传热和工质循环流动速度来决定。 ( 4 ) 人工神经网络法模型 1 0 脉动热管的实验研究 人工神经网络模型的一般都是建立在“黑箱”方法的基础上，需要以许多可 靠数据训练为前提，该模型获得的结果才有可信度。崔晓钰等m 3 1 利用此方法，把 k a l o g i r o u s 经验公式座位选择数据的初始根据，隐含神经元数为8 ，选择比较了 十种网格构成，用神经元方差和来表示训练误差，学习方法为含有动量项的误差 反向传递算法，以s i g m o i d 函数为神经元作用函数。结果显示，模型结果与实验获 得的数据的吻合较好，最大相对误差为6 9 ，上述说明获得的模型能够比较准确 地预测出热管热阻。 l e e 和c h a n g 阳1 利用n a i 神经网络分析了时域和频域上的o h p 的热动态。实 验过程中功率为：3 0 w ，7 0 w ，和1 1 0 w 。n a r x 方法为已知混沌序列成功的建立 了合适的模型。派生出来模型获得的结果说明了实验测量和理论预测能够比较一 致，上述充分说明了人工神经网络在揭示o h p 的动态过程的有效性。 ( 5 ) 无量纲经验公式 k h a n d e k a r 掣4 5 1 将热流密度整理成卡门数、雅克比数、普朗特数、弯道数、试 验台整体倾角等几个参数的函数，结合实验结果，得到的无量纲关联公式为： a - l 击i = o 5 4 ( e 呻) ) 0 4 0 4 7 叩剧4 3 矿” ( 1 1 ) l一， 其中，q 是热流密度；卡门数( k a ) 和雅克比数( j a ) 代表了回路速度对脉动 热管传热的影响；普朗特数( p r ) 代表了液态工质对传热过程中的流速的影响；n 代表弯数，p 代表实验台整体倾角。该无量纲公式所获结果与实验数据的误差在约 3 0 。此外，c h a r o e m a w a n 等【4 6 1 在结合实验的基础上获得了类似于上式的半经验 的无量纲表达式，并预测了水平状态下o h p 的运行性能。 1 3 本文研究内容 为了更好的优化气缸冷却系统，减少柴油机气缸配件的浪费，为了更好的利 用船舶上的大量的低品位能源，本文对脉动热管这一高效传热元件进行了实验研 究。本文的主要研究内容为： ( 1 ) 自行设计并搭建了脉动热管实验台； 第1 章绪论 ( 2 ) 研究主要参数对脉动热管性能的影响，包括加热功率、冷却水温度和流量、 倾斜角和工质对脉动热管传热性能的影响； ( 3 ) 研究低功率下脉动热管的启动运行； ( 4 ) 对水或乙醇的脉动热管进行可视化研究。利用红外热像仪对在底加热、顶 加热和水平加热三种特殊加热方式情况下低功率或高功率运行时的水或乙醇脉动 热管进行了可视化研究。 1 2 l ， l 一 脉动热管的实验研究 第2 章脉动热管的结构与工作原理 1 9 9 4 年，日本学者a ka c _ i l i 【4 7 , 删发明了一种全新概念的脉动热管( p u l s a t i n gh e a t p i p e ) ，从而揭开了热管发展的新篇章。脉动热管是利用工质的脉动流动和汽液相 之间的相互转变进行热量传递的高效传热原件。它又被称为振荡热管 o h p ( o s c i l l a t i n gh e a tp i p e ) 、振荡流热管o f h p ( o s c i l l a t i n g f l o wh e a tp i p e ) 、自激励 振荡流热管s e m o h p ( s e l f - e x c i t i n gm o d eo s c i l l a t i n g f l o wh e a tp i p e ) 等【4 引。 灿m 【5 伽在1 9 9 0 年的专利中首次给出2 4 种设计各异的回路热管( l o o pt y p e h e a tp i p e s ) 如图2 1 所示。它们的共同点是封闭的回路结构，且在回路上设计有流 向控制阀( c h e c kv a l v e ) ，用来防止回路中工质的逆向流动。在3 1 0 w - - 9 2 0 w 的输 入功率实验条件下，在内径约为2 m m 的管子充注水、r l l 。实验数据显示热阻范 围为0 0 7 7 - 0 2 3 3 ( k w ) 。上述专利中的热管解决了普通热管的不足，诸如毛细极 限和输送极限等。 图2 1 a k a c h i1 9 9 0 年专利中设计的各种的脉动热管 f i g 2 1o s c i l l a t i n gh e a tp i p ea n d i t sd e s i g nv a r i a t i o n s 【7 1 考虑到流向控制阀在长期的运行中存在问题，a k a c h i t 鼹】在1 9 9 3 年专利中提出 了无阀的新型回路热管( l o o pt y p eh e a tp i p e sw i t h o u tc h e c kv a l v e ) ，如图2 2 所示。 这标志着真正意义上的脉动热管( p u l s a t i n gh e a tp i p e s ) 的诞生。还提出了可以把其分 为两种形式：开式回路( o p e nl o o p ) 和闭式回路( c l o s e dl o o p ) 。该专利产品使用的 是充注了r 1 4 2 的内外径分别为o 7 m m 及1 0 m m 的金属管回路；能够在功率为 5 w - - 9 0 w 、底加热和顶加热条件下运行，而热阻范围为0 6 4 - 1 1 6 ( k w ) 。借助于 第2 章脉动热管的结构与工作原理 此项专利，日本的t s h e a t r o n i c s 公司研发了一系列脉动热管商用产品，如下图2 3 所示的h e a t l a n e ，k e n z a n 。 图2 2 无流向控制阀的开式及闭式回路脉动热管( a k a c h i1 9 9 3 年专利) 【8 1 f i g 2 2p u l s a t i n gh e a tp i p e 舔d e s c r i b e db ya k a c h ii n19 9 3 【8 1 蜘s e e mb a s e 然胁 图2 3 h e a tl a n e 型脉动热管 f i g 2 3h e a tl a n ep h p s 2 1 结构 2 1 1 分类与特点 脉动热管是由无芯的毛细管在热端与冷端之间反复弯折，抽成真空并注入一 定量液体的闭合回路【2 】。根据毛细管两端是否相连，脉动热管可分为环路型 ( l o o p e d ) t 3 1 和非环路型1 1 1 0 0 p e d ) 。它们还可以再分为开式循环型、开式非循环型、 有阀闭式循环型、无阀闭式循环型f 5 2 】，如下图2 4 所示。 1 4 脉动热管的实验研究 j曩 图2 4 脉动热管不同结构示意图 f i g 2 4s c h e m a t i co f a no s c i l l a t i n gh e a tp i p ea n di t sd e s i g nv a r i a t i o n s 脉动热管的结构特点主要是： ( 1 ) 脉动热管由毛细管组成，管径很小，没有毛细芯结构。工作过程中，通过 管内工质的串接的气泡与液塞形成的自激励振荡来实现潜热与显热的传递，这是 脉动热管与传统热管的最大的区别。 ( 2 ) 理论上，弯头的数目可以是任意数目。有实验证明，弯头数n 6 时，脉动 热管才能稳定运行。回路一端是蒸发段，另一端为冷凝段，绝热段可以根据具体 情况取舍。 ( 3 ) 表面张力，重力等都影响它的性能，但表面张力占主导作用。 2 1 2 管径 在一个g 的重力场中，只有毛细管的内径小到一定值后，脉动热管运行过程 回路内才能形成汽液塞交替排列。w h i t e 和b e a r d m o r e 阳通过实验得到结论，当b o 2 时，重力的影响小，表面张力起主导作用，此时，回路中能够形成汽液塞串接， 其相关的无量纲数表示为： ，一 bo = eo ( 2 1 ) 1 一= r