（工程热物理专业论文）板式脉动热管传热特性实验研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 脉动热管作为一种新型的热管，因其结构简单、易于加工制造、传热量高等 特点，有着广泛的用途。由于脉动热管集显热传热传递和潜热传递于一体，管内 复杂的汽液两相流致使目前其机理依然不是十分清晰。 本文主要研究了能够充分小型化、紧凑化的板式脉动热管，实验分析了板式 脉动热管的启动运行特点，以及几种重要因素对传热性能的影响。从理论上初步 分析了管内汽、液塞运动和传热情况。 首先，实验方面，设计了板式脉动热管，建立了脉动热管实验台，通过实验， 观察了板式脉动热管的启动运行情况，板式脉动热管的启动功率存在特定阀值， 只有加热功率达到或超过功率阀值热管才能启动，热管启动后温差降低热阻减小。 板式脉动热管启动功率与操作因素( 充液率、工质、管内不凝性气体含量) 有关。 采用丙酮为工质时热管的启动功率最小。实验研究了充液率、倾斜角度对脉动热 管换热的影响，发现最佳充液率在3 0 左右、垂直加热要优于热管倾斜的情况。 板式脉动热管结构参数( 管截面积大小、管截面形状、弯道数量) 对脉动热管性 能有重要的影响。在管道截面积大、的弯道数较多的情况下，可以提高板式脉动 热管的性能。另外，三角形管道截面形状的脉动热管性能要好于矩形截面的热管 性能。 以质量、动量、能量模型为基础建立了单液塞模型，通过数值方法计算，分 析了液塞运动和模型传热情况。理论模型研究了加热功率、管径大小、加热端冷 却端温度、不同工质等因素对液塞运动和模型换热的影响。通过计算得到：增加 加热功率和管径、提高加热端温度、降低冷却端温度都可以提高液塞运动速度。 增加液塞运动速度有益于整体提高换热性能。 关键词：板式脉动热管；启动功率；传热性能；影响因素；模型分析 分类号：t k l 2 4 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t p u l s a t i n gh e a tp i p e ( p h p ) i sal l c wt y p eo fh e a tp i p e s , a n db e c a u s eo fs i m p l e s t r u c t u r e , e a s ym a n u f a c t u r i n ga n dh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , i th a sw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s h e a tt r a n s f e ro fp u l s a t i n gh e a tp i p ei n c l u d e sl a t e n th e a ta n ds e n s i b l eh e a t t h et w o - p h a s es y s t e mw h i c he m b o d i e sm u l t i - d i s c i p l i n a r yp h y s i c si s8 0c o m p l i c a t e dn l a t t h ei n v e s t i g a t i o no np u l s a t i n gh e a tp i p csi ss t i l la tap r i m a r ys t a g e p l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p ew h i c hc a nr e a l i z es m a l la n dc o m p a c ti ss t u d i e di nt h i s p a p e r t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yf o c u s e s0 1 1t h ef e a t u r e so fp l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p e s s t a r t - u pa n dr u n n i n g , a n dt h ei n f l u e n c et h a ts o m ei m p o r t a n tf a c t o r sm a k eo nh e a t t r a n s f e r t h em o v e m e n t so fl i q u i ds l u g sa n dm o d e lh e a tt r a n s f e rh a v eb e e nt h e o r e t i c a l l y s t u d i e d i nt h ea 【p 嘶m 钮t a tf i r s tp l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p ei sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t a l s y s t e mo fp u l s a t i n gh e a tp i p ei ss e tu p t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t , i ti sf o u n dh o wt h e p l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p es t a r t sl 琅a n do p e r a t e s , t h e r ei sas p e c i f i ct h r e s h o l df o rp l a t e p u l s a t i n gh e a tp i p e ss t a r t - u pp o w e r , p u l s a t i n gh e a tp i p c 咖b es o tu po n l yw h e nt h e h e a t i n gp o w e rr o a c h e st h et h r e s h o l do rb e y o n d , a n da f t e rt h ep u l s a t i n gh e a tp i p ei ss e t u pt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c 宅n a r o w sa n dt h eh e a tr e s i s t a n c er e d u c e s b e s i d e s ，t h e s t a r t - u pp o w e ro fp l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p eh a ss o m er e l a t i o n s h i pw i n lo p e r a t i o nf a c t o r s ( f i l l i n gr a t ew o r k i n gf l u i d ，s m a l l e rc o n t e n to fn o n - c o n d e n s a b l eg a si nt h eh e a tp i p e ) t h e s t a r t - u pp o w e ri st h el e a s tw h e na c e t o n ei sc h o s e na s t h ew o r k i n gf l u i d t h ee x p e r i m e n th a sa l s os t u d i e st h ei n f l u e n c et h a to t h e ro p e r a t i o nf a c t o r sm a k eo n h e a tt r a n s f e r i ti sf o u n dt h a tt h eo p t i m a lf i l l i n gr a t ei sa ta b o u t3 0 a n dt h ev e r t i c a l b o t t o mh e a t i n gw o r k sb e t t e rt h a nt h ed e c l i n i n gp i p eh e a t i n g h e a tp i p es t r u c t u r a l p a r a m e t e r s ( t u b ea r e a , t u b es h a p e , a n dt u r n i n gn u m b e r ) c a nb e t t e rt h ep e r f o r m a n c eo f p l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p ew i t hl a r g e rt u b ea r e aa n dm o r et u r n i n g s a d d i t i o n a l l y , t h e h e a t i n gt u b e 、啊mt r i a n g l es h a p ep e r f o r m sb e t t e rt h a nt h eo n e 、析n lr e c t a n g u l a rs h a p e a s i n g l e l i q u i ds l u gm o d e li sb u i l to nt h em o d e lo fm a s s e s ，m o m e n t u m ，a n d e n e r g y b yn u m e r i c a lm e t h o d ，t h em o v e m e n t so ft h el i q u i ds l u ga n dt h eh e a tt r a n s f e r c o n d i t i o no ft h em o d e lh a v eb e e na n a l y z e d t h et h e o r e t i c a lm o d e ls t u d i e so nt h e i n f l u e n c et h a tt h eh e a t i n gp o w e r , t u b es i z e ，t h et e m p e r a t u r eo nt h eh e a t i n ga n dc o o l i n g p a r t ，a n dd i f f e r e n tw o r k i n gf l u i dm a k eo nt h em o v e m e n to ft h el i q u i ds l u ga n dt h eh e a t 仃a n s f e rc o n d i t i o no f t h em o d e l 北京交通大学硕士学位论文 b yi n c r e a s i n gt h eh e a t i n gp o w e r , t u b ed i a m e t e r , h e a t i n g 蹦2 t i o r lt e m p e r a t u r ea n d d e c r e a s i n gt h ec o l ds e c t i o nt e m p e r a t u r e , t h ev e l o c i t yo fl i q u i ds l u gb e c o m ef a s t e ra n d h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eb e c o m eb e t t e r k e y w o r d s ：p l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p e ；s t a r t - u pp o w e r , h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ； a f f e c t i n gf a c t o r s ；m o d e la n a l y s i s c l a s s n o ：t k l2 4 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：替i 叉 力 导师签名 学位论文作者签名：奔i 久 力 导师签名 签字日期： 驴j 年( 月1 7 日 签字日期似节年6 月7 日 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 承功 签字日期： 巧年6 月l 7 日 致谢 在论文完成之际，回首两年的硕士研究生生活感慨颇多，学习、生活值得回 忆之处很多，在这里我特别感谢我的导师贾力教授，贾老师渊博的知识、丰富的 科研经验、严谨的学术态度和严以律己、宽以待人的崇高风范、平易近人的人格 魅力对我的人生影响深远。 感谢杨立新老师在论文工作中予以的帮助，他的精益求精的工作作风和乐观 人生态度让我终生难忘。 感谢管鹏、马悦、李星、董瑞、范奇、李书营两年的学习和生活上帮助。在 他们身上我学习到了很多东西，同时为我枯燥的生活带来无限的乐趣。 赵楠、胡朝发两位同门师弟在实验工作的帮助使我能够顺利完成实验的工作， 在此对他们的帮助深表感谢。 感谢养育我的爷爷奶奶、父母以及一直陪伴我的女友江悦是他们为我无私的 奉献才使我能够顺利完成论文工作。 最后诚挚地感谢在百忙中评阅本论文的诸位专家。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 脉动热管简介 1 绪论 脉动热管( p u l s a t i n gh e a tp i p e ，简称p h p ) 又称振荡热管、弯曲毛细管热管、自 激振荡流热管等，是由日本的a k a c h i | i 】于2 0 世纪9 0 年代初提出的。将管径满足一 定条件的毛细管抽真空，然后在毛细管内充入部分工作液体，在毛细管内径尺寸 足够小的情况下，受张力的作用细小管路内将产生弯月效应，使液塞和汽塞沿着 管路自动形成，它们处在对应于室温下的平衡状态并随机分布在毛细管内。脉动 热管是热管家族的新成员，与传统热管的运行和传热特性有很大不同，又因其结 构简单、紧凑，在目前解决微小空间高热流密度的散热方案中一种很有希望和前 途的传热元件。虽然振荡热管的结构比普通热管的简单，但其内部机理远比普通 热管的复杂，是涉及多学科、多参数的汽液两相流系统，实验和理论研究都还处 于初级阶段。脉动热管的种类有如图1 1 ：闭合回路、开放回路、带有单向阀的闭 合回路。实现形式有管式和板式两种如图1 2 。 c l o s e d - l o o pc o s 靠咖w i t h o h pc h l 髯- kv a l v e 图1 1 脉动热管的种类 f i g 1 - 1t h r e ek i n d so f p u l s a t i n gh e a tp i p e a o s e d - e m t o h p 北京交通大学硕士学位论文 绪论 ( 城式脉动熟管彻管式脉动热管 田1 2 扳式与管式脉动热管 p i g a - 2 p l a t e e n d m b u i 奸曲h e a t p i p e 1 2 应用背景 随着科技的发展，电子器件的体积越来越要求小型化，集成的程度越来越高， 功率越来越大。电子元件需教失的热流密度己由几年前的每平方厘米几瓦增加到 了十几瓦，甚至到目前的几十瓦、上百瓦。电子器件或装置的体积尺寸越小，散 热装置本身必须完成的散热需求也越来越高。当前，电子产品无处不在，特别是 对于高新、尖端技术产品，元器件的高密度、高集成、高频、小型化发展已是不 可逆转的趋势，同时伴随其热流密度的增加。i n t e l 创始人m o o 鹏博士f 2 】在7 0 年代曾 预言：电子装置的半导体晶体管的集成密度和产品性能每1 8 十月翻一番。这就是 在电子工业界有名的m o o r e 定律，在过去三十年的电子技术发展过程的事实了已经 证明该定律的正确性。目前，个人p c 机主板上芯片的热流密度已经达到了 6 0 w 锄2 9 0 w 锄2 ，在不远的将来会超过1 0 0 w # m 2 。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 i i u1 9 1 k ii ! 蠢id 刈q删l v 时阚 图1 - 3i n t e l 处理器晶体管的数量与摩尔定律的比较 f i g 1 3 i n t e lp r o c e s s o r s t h en u m b e ro f t r a n s i s t o r sc o m p a r e dw i 廿lm o o r e sl a w 随着电子器件散热量的急剧上升和温度的升高，传统的散热翅片加强迫对流 的散热方式已经不能满足未来电子元件的散热需求，这就迫切需要小型化、强散 热能的高效散热设备。脉动热管作为一种新型散热冷却技术，因其尺寸小、重量 轻、结构简单、成本低等特点在这一领域显示出了优势，在电子元器件领域内已 有应用。 1 3 脉动热管的结构及工作原理 脉动热管的结构是由没有吸液芯的毛细管在热端与冷端之间反复弯折构成平 行的毛细管束组成。由于毛细管的管径小，液体表面张力的作用较为突出，在液 体表面张力的作用的下，毛细管内形成长度不一的液塞和汽塞。脉动热管一段为 加热段，另一段为冷凝段，而绝热段可有可无。 ， i l、 ，卜划r 心沁h、 ， ) ) 文j n 心孓瀚 k 飞n涮r 心n 划、 ) ) r 心弋心q 图l _ 4 脉动热管原理示意 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a ms h o w i n gt h ep h pw o r k i n gp r i n c i p l e 脉动热管的管径必须很小才能使管内形成共存的气泡和液塞，对于其管径应 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 满足如下条件【3 1 d s 压 式中仃是表面张力，n m ；岛为液体工质的密度，k g m 3 ；g 为重力加速度， m s 2 。 根据上式不同的液体工质采用的最大内径也不同，一般在0 5 - - 3 m m 。管内部 要抽真空，并充注一部分工作液体，充入管内的工作液体的体积与脉动热管的管 内容积之比称为充液率( f i l l i n gr a t e ) 。脉动热管中常用的工质有水、甲醇、乙醇、 氟里昂等。 在脉动热管的加热段，由于热量的输入，管路中的汽塞与壁面之间的液膜和 液塞受热蒸发产生蒸汽，使加热段的汽塞压力增大，当蒸发段的汽塞体积和压力 增加到一定程度，就会推动相邻的汽塞、液塞沿轴向冷凝段运动，较高温度的蒸 汽在运动到冷凝段遇冷凝结导致冷凝段压力降低，这样在加热段与冷凝段间产 生压力差，这个压力差也是整个脉动热管的驱动力，另外相邻管间压力不平衡， 从而推动冷凝液向蒸发段回流，补充加热段的工作流体，使加热段不至于烧干， 从而形成循环回路。这种热通路将热量从蒸发段源源不断地传向冷凝段，在冷凝 段将热量带走。汽塞和液塞的存在是通过蒸发段中液塞的蒸发和冷凝段中汽塞的 冷凝以及小内径管路的特点来自动维持的。 1 4 脉动热管的优点 ( 1 ) 管径小，体积小，结构简单，成本低 管径小决定了体积小，可实现传热设备的小型化，使其可以应用于小型精密设 备的散热。不需要吸液芯，减少了热管的复杂程度，降低了生产难度，减少成本。 ( 2 ) 传热性能好 与传统热管不同，除了传递潜热外，脉动热管还传递显热，另外气泡在膨胀和 压缩的时候实现了功、热的互换。 ( 3 ) 自适应机制 脉动热管的传热原理决定了其有自适应的机制；当热流密度很大、蒸发很快 的时候，汽泡膨胀也同样很快，使得蒸汽很快进入冷却段而被冷却、液化，液体 回流至加热端，在合适的充装量下，热流密度可以很大而不会烧干。 ( 4 ) 结构多样性 脉动热管的基本结构为毛细管在加热段与冷却段之间反复弯折，形状可以比 较随意，有相当多的变化形式，这大大增加了它的适应性，扩大了应用领域。 4 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 ( 5 ) 加热倾斜角较为自由 传统热管用于顶加热方式时，运行将受到很大限制，重力热管则根本不能运 行。脉动热管可以用于顶加热方式，并且在一定的条件下顶加热与底加热时传热 性能差别不大1 4 。 1 5 研究现状 由于脉动热管问世时间不长，加之脉动热管内部复杂的汽液两相流，因此对 它的研究并不成熟，与其相关的文献，9 4 年以后才开始有少数关于脉动热管的文 章发表，9 6 年后这方面的文章才逐渐多一些，各国学者对于脉动热管的研究主要 为实验研究和理论研究。而且以实验研究为主，主要是一些影响运行的参数实验。 对于理论研究方面目前也有一定数量的相关文献，大部分集中于建立脉动热管的 物理、数学模型，但是近几年相关文献发表较少，这也是因为脉动热管运行机理 复杂，很难用简单的数学模型完全描述其复杂的管内现象，所建立的模型又过于 简化，与实验结果无法进行全面的比对。 1 5 1 脉动热管的实验研究 影响回路脉动热管运行与性能的因素有很多，大致可分为以下三类。 ( 1 ) 几何参数：脉动热管的总长、直径、截面形状以及加热段、冷却段、绝热 段的长度和通道弯数。是否加吸液芯。 ( 2 ) 物理参数：工作介质的填装率和物性，管子材料的物性。 ( 3 ) 操作参数：加热和冷却的方法、位置、热流密度的大小、工作时热管的倾 斜角度，是否带有单向阀。 脉动热管的传热特性通常是以上这些因素综合作用的结果，不能认为它们是 孤立的【5 1 。实验研究就是针对以上的各种影响因素进行实验，分析上面各种因素对 脉动热管换热的影响，从而优化设计，为脉动热管理论研究打好基础。 1 、可视化实验研究 由于研究初期对脉动热管的认识很模糊，为了研究脉动的传热现象，最初实 验研究很多都是采用可视化研究，这样可以了解管内汽、液塞运动方式和流动形 态，掌握管内运动机理。 b y t o n g 等t 6 】在可视化实验中观察到脉动热管内的工质在一定的充液率和加 热量下可以形成稳定的单向循环流动，使脉动热管的传热特性得到增强，并指出 一旦获得这种单向循环脉动，其方向将是一定的。如图1 3 所示，在相同的实验条 5 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 件下重复实验，循环流动的方向有可能不同，实验还观察到这种单向循环流动同 时还伴随着各个通道内的脉动，个别通道的流动方向还有可能暂时改变，但其总 的循环流动方向是不变的。 图l - 5 脉动热管循环流动示意图 h g 1 - 5s c h e m a t i co f t h ef l o wd i r ：d o ni np u l s a t i n gh e a tp i p e 在闭合回路振动热管可视化实验中，l 甜7 】等观察到工作介质沿轴向振荡、核 态沸腾、气泡分离等现象，但没有观察到介质的循环流动：m i y a z k i 等嘲观察到偶 尔出现稳定的波动流，但通常是不稳定的，波形、波的产生位置、波的传播方向 随时间变化。j l x u 9 1 观察到脉动热管内有塞状流、混合流、循环流三种流型，并 且观察到气泡的破裂及聚合现象。 杨蔚原等【l o 】在玻璃水闭合回路脉动热管可视化实验中发现：稳定运行时，加 热段气泡剧烈膨胀是脉动热管内的典型现象，但很少观察到核态沸腾；底端加热 时，管内工质单向流动和液塞局部振动是显著特点；在某些充液率和工作条件下 热管的运行不稳定，有或长或短的间歇。 曲伟【1 1 1 等对铜管和玻璃管( 内径、外径分别为1 8 、2 0 m m ) 交替布置制成的 具有8 个弯的半可视化闭环脉动热管进行了实验研究。实验报告了输入热功率和倾 斜角的增加对流体流态和装置热性能的影响。得出的主要结论有：对于环路型脉 动热管，当加热功率较小时，管内工质流型是问歇振动，当加热功率较大时，管 内工质流动是单向脉动流动。随着蒸发功率的增大，热阻减小。加热器的位置对 于流动和换热的影响不大。6 0 。倾斜角时脉动热管的热阻达到最小，不凝性气体 的含量会显著影响蒸发器和冷凝器的运行温度和热阻大小。 2 、铜管的实验研究 1 9 9 7 年，m a e z a w a m 等【1 2 j 人对一组铜管，内外径分别为1 0 m m 、2 0 m m ，4 0 个弯，开环脉动热管进行了实验，采用了r 1 4 2 b 和水为工质，充液率为5 0 ，分 析了管径和工质对热阻的影响。实验结果表明，底部加热模式下的系统性能较水 平操作下的性能更好，顶部加热模式下的系统性能最差。由c h a r o e n s a w a n 等【l 列 的实验可以看出，脉动热管在竖直放置底加热的模式下运行最好，6 0 。 - 9 0 。为 6 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 较理想的倾角范围。c h a r o e n s a w a n 等人采用三种工质和两种内径的铜制c l p h p 进 行实验。实验时，充液率为5 0 ，将蒸发器和冷凝器分别维持在固定的8 0 和2 0 。实验研究了管内径、倾斜角( 从垂直下部加热模式到水平加热模式) 和弯管 数对装置性能的影响。实验结果表明管内径、倾斜角和弯管数对装置性能有影响。 通过临界弯管数可明显区分倾斜角对性能的影响。当弯管数大于临界弯管数时， c l p h p 在水平加热和底加热的情况下都可满足操作要求，并随着水平倾斜角的增 大，其性能提高，在6 0 。到垂直放置，热性能基本维持常数；当弯管数小于临界 弯管数的时候，正常的最高性能发生在垂直底部加热模式下，并随着装置向水平 倾斜，装置热性能下降。 a k a c h i 掣1 4 】研究发现，当脉动热管的通道弯数大于某一数值时，其热阻与倾 斜角度无关。即在相同的实验条件下，底端加热、水平加热和顶端加热时的热阻 相近。在他们的实验条件下，通道弯数的临界值为8 0 。 h o n g t a og a o 1 5 】等研究t a l 2 0 3 微粒对脉动热管传热特性的影响，实验结果表 明：加入的a 1 2 0 3 增强了脉动热管的传热特性，并且存在最佳充入量的范围，同时 研究了倾斜角度以及充液量对其传热姓能的影响。研究提出加入微粒不会增强导 热能力，但会增强工质的对流换热能力。 马永锡、张红【1 6 】等通过管式铜水闭合回路脉动热管的传热性能试验，分析了 脉动热管稳定运行时充液率、倾斜角度以及加热水流量等因素对传热性能的影响。 得出如下结论：最佳倾斜角度范围7 0 。9 0 。；最佳充液范围5 0 - 6 0 ，随着 加热水流量和倾斜角度的增大，最佳充液率呈上升趋势；脉动热管稳定运行时， 绝热段各管管壁温度波动是有规律的、周期性的。 3 、板式脉动热管实验研究 板式脉动热管因更易于小型化，所以相比管式更适合于应用在小空间散热领 域，但因其加工较难、密封不容易，所以相比管式脉动热管实验，板式脉动热管 实验还很少。目前对板式脉动热管研究还不是很多，相关的文献较管式脉动热管 的少了很多，因此对其进行深入的研究很有现实意义。 周岩旧对板式脉动热管进行了研究，实验热管尺寸很小，对板式脉动热管的 倾角、充液率、不同的截面形状( 正方形、正三角形截面) 和不同的热流密度进 行了实验研究，得出了不同水力直径下不同截面形状的导热性能不同，倾角对脉 动热管的性能仍有影响，角脉动热管实验件均在底加热时性能最好。 s k h a n d e r 等t 1 8 】采用铝板刻槽，在上面加装玻璃盖，并用高速摄像机观察工质 流动。实验对比了板式与管式脉动热管的运行情况，板式热管的槽道截面形状为 矩形而且大小各不相同，文中给出板式脉动热管充液率少于1 0 、底加热时传热效 果最好。由于板式脉动热管两个相邻槽道间隔很薄，这样导致了两个槽道间的高 7 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 导热率，两个相邻槽道间的热驱动力降低。 h o n g h a iy 锄g 等【1 明采用可视化方法实验研究了板式脉动热管的流动情况和传 热特性，发现板式脉动热管矩形截面通道内的液体分布与圆形通道内的有一定区 别，角区域的存在使得液膜分布发生变化。 1 5 2 脉动热管理论研究 目前，对于脉动热管的理论研究还是处在探索阶段，由于其运行机理复杂， 要对其建立一个能完全描述其运行的数学模型比较难，而目前所建立的模型都是 对其进行了大量的简化和假设，基本不能定量地比较，而只能在趋势上得出一些 结论。 按照建立模型的方法不同，目前的模型可以分为以下几种： 1 、弹簧一质量一阻尼系统模型法 这是一建立较早的模型，其基本的思想就是，将液塞的运动过程类比具有相 似运动形式的受迫振动，根据受迫振动方程形式建立汽液塞方程，得出液塞的运。 动方程。 受迫振动的方程形式，根据牛顿第二定律得出： 胁第= 七一厂石d x + f o o s q 其中，一h 为弹性力；吖拿为阻尼力；f o o o s ( 2 t 为周期性外力即策动力。 由上式可以看出，如果建立一个类似于受迫振动的方程就必须包含一个位移 的二阶导数项、一阶导数项、一次项和一个周期的策动力。 根据上面的理论，z j o nz u o 等【2 0 1 将脉动热管简化成如图1 6 所示的系统，液 柱和汽栓的运动用质量中心来作整体上的描述。 1 6 弹簧质量阻尼系统模型 f i g 1 - 6m a t h e m a t i c a lm o d e l 、i t hs i n g l es p r i n g - m a s s - d a m p e rs y s t e m 北京交通大学硕士学位论文 i 绪论 初始状态时认为流体的质心在热管的中心捌，当质心移动则杆l 的长度增加 j ，相应的杆2 的长度减小x 。对热管进行受力分析，由牛顿第二定律：得到脉动热 管的数学模型：类比阻尼振动方程： id2x+(巡争面丽2a，2rtdt p t d a d t ( 调删训+ 针一o 2 lj ( “岛死) ( j f ， ，_ 一八”kj x 是流体质量中心位移( m ) ；d ，p ，三，a 分别是脉动热霄的亘径、周长，长度 ( m ) 和横截面积( m 2 ) ；九是充液率( ) ；q 是传热量( w ) ：k 是工质汽化潜热( 肼唱) ； 岛，成是工质运行温度下的液相密度和汽相密度( 1 吲，m 3 ) ；z 乙是工质饱和温度( k ) ； 鸬是动力粘性系数( k g ( m s ) ) 。 与阻尼振荡方程相比： ( 酱归硼胍凯 面孤2 a 2 r t 删 似2 m ( 1 一似z kt j 相当于弹簧弹性系数， 讯0 求解得出一个液塞随时间波动的方程。但是这种过分简单模型的应用十分有 限，尤其结论与实验结果相差很大。 近年来根据此形式建立的模型还有h b m a 等人【2 ”所做的模型，文中假设管中 的汽液都处在饱和状态，认为动力为加热段与冷凝段之间的压差，阻力有汽液塞 对管壁的摩擦阻力，汽泡形变阻力。根据牛顿第二定律汽液塞建立平衡方程： ( 帅训z 雾= ( 竽) ( 垃笋) 【1 + 酬州】 一百8 p 似厶+ 以厶) 塑d r 一竽。石i 1 岛蒯2 玩s i n 口 其中加热段与蒸发段之间的压力差根据克拉贝隆克劳修斯方程得到： p = 一= 耳e x p ( 争气手) 一l 】。式中乃是蒸发段的温度，z 是冷凝段的温度， 对其展开并取一阶导数相得凹：r 警，对于丁：垒上与尘叠 1 + c o s ( 研) 】， 有此两端压力为上等式有一项，为其周期策动力。一五8 e 。( 鸬厶+ 以厶) 妻，是汽液 塞与管壁之间的摩擦阻力，将其简化为一阶导数项，a p _ , , r t ，这是因为气泡形变 9 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 而产生的力，方向与位移方向相反，对比受迫振动，此项为一次项。 士 岛万d 2 l _ 矽g s i n a 是重力项向上为正，向下为负，这样再加上加速度的二阶导数 项，就产生了受迫振动方程形式的方程。h b m a 等阎将上述的运动方程耦合换热， 模型包括因脉动而产生的对流换热、蒸发区蒸发换热以及凝结区的薄液膜凝结换 热，数值计算结果表明管内汽、液塞脉动显著提高了换热量。 式中厶是液塞长度( m ) ：, o l 为液体密度( k g m 4 ) ；厶是汽塞长度( m ) ；成 是汽塞的密度( k g m - 3 ) ；t 是液塞的温度( k ) ；堤管道直径( m ) ；l 管道中长 度( m ) ；矽是充液率；j i 詹是汽化潜热( j k g ) ；z 蒸发端温度，( k ) ；a 冷热 段最大温差( k ) ；a 两端最小温差( k ) ；缈假定频率常数；肛液塞的动力粘 度系数( k g ( m s ) ) ；风液塞的动力粘度系数( k g ( m s ) ) ；d 管道的水力直径( m ) 。 求解后得到液塞位移的方程： ，、 尺 h f ) 2 一 m + 1 一f 铷 一幽( ( 历) 矿鼬蜉) 彩f ) 该模型较为简单，容易理解和计算，比z j o nz u o 的模型更为合理些，但是使 用上仍有一些问题，如气泡形变力单独拿出来作为一汽液塞所受的力有些勉强， 策动力的频率就是脉动热管的固有频率的结论也不能被证明。由于一些项简化过 于严重，也会导致模型不能很好地反应实际情况。 另外，曲伟等f 2 3 】认为脉动热管管内工质振荡存在一个特征频率，选择系统中 的整个汽塞和液塞为研究对象，基本假设：( 1 ) 与液塞质量相比，汽塞的质量忽 略；( 2 ) 汽塞体积变化过程被认为是多变过程；( 3 ) 摩擦力由液体层流流动产生。 所受的力：弹性回复力，周期的脉动力和摩擦力。由牛顿第二定律得出： a ， 1v 吨了+ 化一最) 4c o s ( a t ) 一溉丘詈= 码孑 式中：疋为弹性系数( k g s 也) ；兄为蒸发段压强( p a ) ，名为冷凝段压强( p a ) ，4 为 管的横截面积( m 2 ) ，上式可以写成强迫振动的微分方程的形式： 1 0 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 窑+2口d出x+b2x=pocos(aodr 2 出 由缈：以f 孑得到关于频率的表达式： ：竺：一1t 再a ：上 = 一= 一v 扫。一= 一 。 2 7 r2 n 。2 n 并得到以下结论：脉动热管管内工质运行的频率随加热功率的升高而增大 不同的运行参数对特征频率的影响不同。一些既有的结论如脉动热管存在最佳充 液率的范围以及弯数越少越难以启动等可以由特征频率来解释。 2 、质量、动量、能量守恒法 所谓质量、动量、能量守恒法就是对液塞、汽塞分别建立质量方程、动量方 程和能量方程，然后将所建立的微分方程对时间离散，再采用数值计算方法计算 每个是时间步长的量。 m o h a m m a db s h a f i i 等【2 4 】建立了开环和闭环的脉动热管模型，并建立了相应的 质量、动量、能量方程。模型中包括了多个汽塞和液塞，模型假设了蒸发、凝结 换热系数为假设的恒定值，液体不可压，蒸汽为理想气体，在弯管处的压力损失 不计。 建立好离散化方程后就可以对其进行编程计算，文章中求解采用了显式差分 格式，采用时间步长为1 0 一s ，这样可以计算出每个时间段上的各个量。得出了各 个量随时间变化的关系。模型的计算结果可以表明各因素对运行结果的影响趋势 与实验相同，具有一定的指导意义。 y u w e nz h a n 一2 5 】等为分析管内汽液塞的运动变化，简化脉动热管为一段开口的 直管，开口处保持恒定的压力，管内有一个汽塞和一个液塞。初始时汽塞在蒸发 段，液塞在冷凝段，随后汽塞受热蒸发，压力增大，从而推动液塞向开口段移动， 当汽塞进入冷凝段后蒸汽遇冷凝结压力降低，汽塞又被推向反方向。而汽塞又回 到加热段，被加热气体压力重新增加，依次往复，液塞形成一个周期性振荡往复 运动。模型建立后对其列质量、动量、能量方程，离散并采用隐式算法计算。分 析了各因素对其影响，计算结果表明热管传输的热大都以显热形式传送，潜热对 汽、液脉动起到关键作用。毛细压力对脉动的影响并不显著，脉动稳定后的频率 和幅度受表面张力的影响不显著。 y u w e nz h 孤f 2 6 】【拥之后的文章里又分析了在单个弯管和多个弯管的汽、液塞之 间的脉动，建立了更接近脉动热管实际情况的模型。 3 、半经验公式法 s r i t t i d e c 等【2 8 】在大量实验基础上，对带有单向阀的闭环脉动热管建立了基于 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 无量纲数的半经验公式。 邑= o o 0 0 4 b 0 2 j c l 2 e m ( 岛岛) n 踹形( 丘喀) ”r 岍 上式可以预测垂直放置热流量。式中：k u 数是脉动热管热流量与工质临界热 流量之比；b o 数是浮力与表面张力之比；w e 数是惯性力与表面张力之比；硝i 是 惯性力与重力之比；屁数是潜热与定压比热之比；丹数是汽塞动力扩散率与热扩 散率之比，r c v 是单向阀的数量与脉动热管弯数的比值，丘4 为蒸发段长度与内 径之比，用来定义脉动热管的尺寸。 4 、其他方法 ( 1 ) 曲伟 2 9 1 等研究了尺度效应对脉动热管启动和运行的影响，建立了脉动热管 启动和运行的物理和数学模型，过热度温差是启动脉动热管的一个临界条件，对 于汽泡分配有两种情况：( 1 ) 毛细管中较小的球状汽泡，( 2 ) 长的圆柱形汽泡。对于 后面的情况，由于汽泡较大，通常被称为t a y l o r 汽泡，认为汽泡由球状气泡成长为 较大的t a y t o 汽泡需要的能量是脉动热管启动所需的最小能量，给出的数学模型得 到最小过热度和最小启动热流密度，分别可表示为： 以_ 咽 一嚣叩+ 钟志) 】) - b矗詹 z 【一q j 口：当垒五：= 1 l n 【r j ( 一4 ) j 式中瓦咖为长的泰勒( t a y l o r ) 汽泡需要的壁面过热度( k ) ；为脉动热管内 径( m ) ：4 为液膜厚度( m ) ；瓦、霉和气泡温度( k ) ；| i 詹汽化潜热( j k g ) 仃 表面张力( n m ) ，只气体的压力。并得到内管壁的粗糙度严重影响脉动热管的 启动，汽泡形状影响所需的过热度和汽泡的成长，球形小汽泡比较大的长汽泡需 要较少的过热，并使脉动热管易于运行，通过选择较粗糙的内壁面，气泡的形状 和合适的工质可以提高启动速度。 ( 2 ) 混沌力学法 m a e z a w a 3 0 】通过测得的壁面温度分析发现，液塞振荡是非周期性的，认为脉 动热管的运行特性属于混沌现象。之后，利用混沌动力学分析了单一圆环振荡热 管中的两相流动，但并未给出实验验证。 ( 3 ) 马永锡、张红【”】把脉动热管模型简化为由管壳、液膜和振荡液塞三部分 组成的具有高导热系数的复合材料。给出了振荡热管的径向和轴向当量导热系数； 并从理论上推导出了振荡液塞当量导热系数的定性表达式，该导热系数与液塞的 振荡频率和振荡幅度成正比；最后根据实验结果分析了热流密度、充液率和倾角 等因素对当量导热系数的影响，即随着热流密度和充液率的增加，当量导热系数 先增后减，倾角对当量导热系数的影响与通道弯数有关。 1 2 北京交通大学硕士学位论文 l 绪论 ( 4 ) 神经网络分析方法 崔晓钰【3 2 】把神经网络方法应用到了脉动热管的建模中。神经网络方法特别适 合于机理未知的复杂非线性系统。在大量实验数据的基础上，神经网络可以通过 其自学习功能来调整网络权值，实现对复杂非线性系统的拟合。神经网络模型本 质上是一种黑箱模型，它回避了脉动热管的复杂运行机制，该模型通过采用前馈 多级人工神经网络系统和后馈动量传播学习算法来实现。该模型包含了代表输入 热量和充液率量的两个输入端和代表整个脉动热管热阻的单一输出端。在整个设 定的有效数据范围内，该模型的预测结果与实验结果吻合较好。虽然模型预先需 要合理的实验结果，这对于采用传统技术的模型而言应用十分受限。但在系统运 行全部范围都有充分实验数据的情况下，采用a n n 模型预测还是非常有希望的。 1 5 3 课题组前期研究内容 1 、建立了脉动热管的可视化实验台，观察了脉动热管启动阶段、过渡阶段及 稳定运行阶段管内的主要现象，比较了采用两种加热方式( 电加热和水加热) 时 脉动热管的运行状况。发现脉动热管运行时管内的主要流型为：塞状流、混合流 以及环状流，同时观察到汽泡的往复振荡、汽、液塞的破碎和聚合等现象 3 3 】。 2 、改建实验台，采用管式紫铜和玻璃脉动热管进行流传热性能的实验，采集 管壁的温度变化。实验研究了操作参数( 如充液率、加热功率、倾斜角、工质) 和结构参数( 弯管数、开环与闭环、粗细变管径等) 对脉动热管传热性能的影响， 分析了不同工质对热管启动的影响 3 4 - 3 7 。 3 、改进了脉动热管的弹簧一质量一阻尼模型，分析了不同工质和不同充液率 对热管内工质运动的影响。 1 6 本文研究的主要内容 l 、设计不同尺寸的实验脉动热管，建立小型板式脉动热管实验台架，实验研 究了热管启动运行情况，分析启动时温度变化特征。 2 、实验研究分析各种操作因素对热管启动时间、稳定运行时的热管温度、启 动功率的影响。 3 、实验研究不同结构参数( 如管径、管道截面形状，弯道数) 对热管传热情 况的影响。分析比较不同结构板式脉动热管在相同的实验条件下传导热量的情况， 得出可以优化脉动热管性能的结构条件。 4 、理论研究上以质量、动量、能量守恒法为基础，建立单液塞模型，研究加 1 3 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 热功率、管径、不同工质等因素对模型中液塞运动和模型传热情况的影响。从理 论上分析液塞产生运动原因及各种因素对液塞模型运动、传导热量的影响。 1 4 北京交通大学硕士学位论文 2 脉动热管实验台 2 1 实验背景 2 脉动热管实验台 前期的脉动热管实验研究大多集中于对其