（工程热物理专业论文）板式脉动热管启动特性及传热性能的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 l i i ii i ti i ii i i ii lli ti ii y 17 8 12 8 6 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 通人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、汇编以供奄阅和借阅。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：掘豁镟 签字日期：2 0 l o 年石月2 2 日 导师签名： 签字日期：z o l o 乃瑁 - - ， l 中图分类号： u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 板式脉动热管启动特性及传热性能的研究 s t u d y o ns t a r t - u pc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e so fp l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p e 作者姓名：胡朝发 导师姓名：贾力 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 9 0 0 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：工程热物理研究方向：传热传质 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 时光飞逝，转眼之间两年的研究生生活已经接近尾声。在此论文完成之际， 我要借这篇致谢感谢我的导师贾力教授，谢谢他这么长时间来的耐心教诲和不倦 的指导。此外，贾老师对学术一丝不苟的态度和对工作的孜孜不倦的精神值得我 认真学习，在这里向他致以崇高的敬意和衷心的感谢! 杨立新老师、张竹茜老师对我的论文提出了很多宝贵的意见和建议，在此对 两位老师表示衷心的感谢。 感谢实验室的同门管鹏、李星、谭泽涛、赵楠、王电以及李成文等同学。感 谢他们两年来在学习和生活上给我的指导和帮助。 此外，还要感谢养育我的爷爷奶奶、爸爸妈妈，他们的理解和支持使我能够 在学校专心完成学业。 最后诚挚地感谢在百忙中评阅本论文的诸位专家，谨以此篇感谢所有帮助过 我的人，真诚的谢谢你们。 中文摘要 脉动热管作为热管家族中的新成员，被认为是解决微小空问内高热流密度的 散热方式中一种很有前途和希望的传热元件。由于脉动热管的内部运行机理涉及 多学科，属于多参数的气液两相流系统，因此其运行机理依然不十分清晰。 为了研究板式脉动热管的启动特性和传热机理，本文开展了铝板式脉动热管 实验。实验研究了在两种不同加热方式( 底加热和顶加热) 下，一些影响因素对 热管启动以及传热性能的影响。研究结果表明，充液率和加热功率对板式热管的 启动有着很大的影响，不同的充液率所需的启动功率不同。提高加热功率、增大 加热面积有助于热管的启动。热管的热阻均随着加热功率的增大而减少，但不同 的加热方式所需的最佳充液率不同。在本研究中，底加热的最佳充液率为3 1 4 ， 而项加热的最佳充液率为5 4 9 。总的来说热管底加热的传热性能要好于顶加热。 此外，本文也开展了板式脉动热管可视化实验研究。实验中观察了热管在不 同运行阶段时管内工质的振荡特点。实验结果表明，管内工质的流态主要可分为： 塞状流、环状流以及塞环并存的混合流。热管在启动阶段以塞状流为主，而在稳 定运行阶段则以环状流为主。工质振荡的流型受充液率以及加热功率的影响。 最后，本文对脉动热管的传热机理进行了理论分析。采用动量一质量一能量守 恒法建立了管内工质振荡的单汽塞一液塞模型和两汽塞一液塞模型，对比分析了两 个模型的特点，并通过改变参数分析了初始压力、管径大小等因素对液塞运动的 影响。计算结果表明：两汽塞一液塞模型比单汽塞一液塞模型更加合理，提高管内 的初始压力和增大管径都有利于提高液塞的运动幅度，液塞运动幅度的增加提高 了热管的换热性能。 关键词：板式脉动热管；启动特性；传热性能；工质流态；理论模型 分类号：t k l 2 4 f i l l i n gr a t ea let h ei m p o r t a n tf a c t o r sf o rt h es t a r t - u po ft h ep l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p e d i f f e r e n tf i l l i n gr a t en e e d sd i f f e r e n ts t a r t u pp o w e r t h em e t h o d so fi n c r e a s i n gt h e h e a t i n gp o w e ra n de n l a r g i n gt h eh e a t i n ga r e ac a nm a k et h es t a r t - u pe a s i e r t h e t h e r m a lr e s i s t a n c e so fp l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p ea r er e l a t e dw i t ht h eh e a t i n gp o w e r , a n d t h eh i g h e rt h eh e a t i n gp o w e ri s ，t h es m a l l e rt h et h e r m a lr e s i s t a n c e sa r e b u tt h eb e s t f i l l i n gr a t ew h i c ht h eh e a tp i p en e e d si sd i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n th e a t i n gm e t h o d s a s t h er e s e a r c hi n d i c a t e s ，t h eb e s tf i l l i n gr a t ef o rt h eb o t t o mh e a t e di sa b o u t31 4 w h i l e t h i sn u m b e ri s5 4 9 f o rt h et o ph e a t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e a tp i p ei nt h e c a s eo ft h eb o t t o mh e a t e di sb e t t e rt h a nt h eo t h e r b e s i d e s ，t h ev i s u a l i z e de x p e r i m e n t so fp l a t ep u l s a t i n gh e a tp i p ea r ea l s oc a r d e d o u ti nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n t sh a v eo b s e r v e dt h ew o r k i n gf l u i d so s c i l l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa td i f f e r e n tr u n n i n gs t a g e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wp a t t e r n so f w o r k i n gf l u i dc a nb ed i v i d e di n t o ：b u l kf l o w 、a n n u l a rf l o wa n dm i x e df l o w t h eb u l k f l o wi st h em a j o rf l o wp a t t e r n si nt h es t a r t u ps t a g e ，w h i l et h ea n n u l a rf l o wi st h e m a j o ri nt h es t a b l eo p e r a t i o ns t a g e t h ew o r k i n gf l u i d sf l o wp a t t e r ni s a f f e c t e db y f i l l i n gr a t ea n dh e a t i n gp o w e r a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h er e g u l a r i t yo fh e a tt r a n s f e ri st h e o r e t i c a la n a l y z e d a s i n g l eg a s - l i q u i dp l u gm o d e la n dad o u b l eg a s - l i q u i dp l u g sm o d e la r eb u i l tw i t ht h e m e t h o do fm o m e n t u m - m a s s - e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w o m o d e l sa r ec o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d t h et h e o r e t i c a lm o d e li sa l s of o c u s e do nt h e i n i t i a lp r e s s u r e ，t u b es i z ea n dw o r k i n gf l u i dt ot h em o v e m e n to ft h el i q u i dp l u g b yt h e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，i tc a nf o u n dt h a tt h ed o u b l eg a s - l i q u i dp l u g sm o d e li sm o r e r e a s o n a b l et h a nt h es i n g l eg a s l i q u i dp l u gm o d e l t h er a n g eo fm o t i o no fl i q u i ds l u gi s v 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i 、， l 绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 脉动热管简介1 1 3 脉动热管的优点3 1 4 脉动热管的研究现状3 1 4 1 脉动热管的实验研究4 1 4 2 脉动热管的理论研究6 1 4 3 本课题组前期的研究内容1 2 1 5 小结1 2 1 6 本文研究的主要内容1 3 2 板式脉动热管实验装置1 4 2 1 实验研究背景1 4 2 2 脉动热管管径的确定1 4 2 3 工质的选择1 5 2 4 实验件及实验装置1 6 2 5 实验步骤及实验内容2 1 2 5 1 实验步骤2 l 2 5 2 实验内容2 2 3 板式脉动热管实验结果及分析2 3 3 1 底加热实验现象及结果分析2 3 3 1 1 板式脉动热管底加热的启动及运行特点2 3 3 1 2 充液率对脉动热管启动的影响2 4 3 1 3 加热功率对脉动热管启动的影响2 4 3 1 4 充液率和加热功率对热管传热性能的影响2 5 3 2 项加热实验现象及结果分析2 6 3 2 1 板式热管顶加热的启动及运行特点2 7 3 2 2 加热面积对顶加热启动的影响2 7 3 2 3 加热功率对顶加热启动的影响2 8 3 2 4 充液率和加热功率对热管传热性能的影响2 9 3 3 可视化实验现象及结果分析3 0 3 3 1 脉动热管管内的主要流型介绍3 0 3 3 2 板式脉动热管运行中的主要现象3 2 3 3 3 充液率和加热功率对管内流型的影响3 5 3 4 本章小结3 7 4 脉动热管运行理论分析3 8 4 1 理论研究背景3 8 4 2 脉动热管运行基本动力分析3 8 4 3 动量、质量、能量守恒法建模3 8 4 3 1 单汽塞一液塞模型3 8 4 3 2 两汽塞一液塞模型4 5 4 3 3 各种因素的影响4 9 4 4 本章小结5 3 5 结论及展望5 4 5 i 结论5 4 5 2 展望5 5 参考文献5 6 附录5 9 作者简历6 2 独创性声明6 3 学位论文数据集6 4 1 1 课题研究的背景及意义 1 绪论 近年来，随着科技和电子行业的不断发展，电子器件的体积越来越小，集成 度越来越高，功率也越来越大，散热量也越来越多。电子装置( 含微电子和光电 子装置) 是由大量的电子元器件组成。热量主要来自那些具有载流的元器件，如 变压器、集成电路、大功率晶体管、发光器件、扼流圈、大功率电阻等。它们产 生的热量大部分以热传导、对流和辐射换热的形式散发到周围介质中，只有小部 分以电磁波形式散出。随着电子工业的发展，元器件总数量的增加和集成密度的 增大，致使功耗密度不断地增大，电子元器件的散热问题已经成为电子工业持续 快速发展的瓶颈问题，急需微型高效的传热技术为其发展铺平道路【l l 。 此外，现在计算机主板芯片的散热，尤其是笔记本芯片的散热，也逐渐成为 一个研究的热点。随着芯片速度的增高，芯片功率也随着不断增加。以笔记本电 脑( n b ) 为例，采用传统的板式热通路等方法将不能奏效，n b 的操作温度对于 系统是否当机的影响极大，对n b 的c p u 而言，通常要求在室温3 5 状况时， c p u 内部温度不得超过1 0 0 以维持c p u 的正常工作状况，如果温度超过此要 求，则处理器即有烧毁的危险。对于笔记本厂家，基于产品稳定性的需求，温度 以9 5 为控制规格，进行n b 所有元件的配置。因此，电子器件的散热就显得 尤为重要。如果散热设计不当，将带来各种不良影响，轻者由于电子装置的误动 作使其性能下降，重则会因一个电子元件发生故障而导致整机毁坏。可以说，电 子设备的性能受散热设计的好坏影响显著。由于电子元器件的小型化和集成化， 这种散热手段要求具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率、维修方便等特点， 从而为现代传热技术在电子冷却领域的应用提出了新的挑战。 应对上述挑战，面临的任务就是研究、开发各种先进有效的技术。除了开发 新的散热材料，改进芯片制造技术，另外一个很重要的措施就是寻求有效的冷却 方法。微型热管和脉动热管【2 1 则是两个较好的选择。而脉动热管有一些微型热管 所不具备的优点，如弯曲较随意，充液较简单，成本低等；并且制作微型热管的 技术也可以用来制作微型的脉动热管；脉动热管的这些特点使其在今天电子器件 和设备的冷却中，有着很大的优势。目前脉动热管在电子器件和设备的冷却中已 有很多的实际应用。 1 2 脉动热管简介 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2 0 世纪9 0 年代由日本的a k a c h i 提出的一种新型热管3 1 。它 的结构如图1 - 1 所示，是由金属毛细管弯曲成蛇形结构，弯头一端为加热端，另 一端为冷却端，在中间可根据需要布置绝热段。一般可分为开式回路和闭式回路 两种结构，按照其实现形式则可分为管式热管和板式热管两种，如图1 - 2 所示。 ( | ) 闭葳网路( m 开式固路 图1 一l 脉动热管结构示意图 f i g l lt h e s t r u c t u r ed i a g r a mo f p u l s a t i n gh e a tp i p e 板式热管 图卜2 脉动热管的两种实现形式 f i g l - 2t w of o r m so f p u l s a t i n gh e a tp i p e 脉动热管的基本工作原型4 】是：将管内抽成真空后充注部分工作介质( 如水、 丙酮等) ，由于管径足够小，故管内将形成汽塞和液塞间隔布置并呈随机分布的 状态。在蒸发端，工质吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向低温冷凝 端。而在冷凝端，气泡冷却收缩并破裂，压力下降。这样，由于两端间存在压差 以及相邻管子之间存在的压力不平衡，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流 动，从而实现热量的传递。在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，完全是 2 与传统的热管相比较，脉动热管主要有以下优点【6 】： l 、结构简单，成本低，体积小。小管径决定了整体尺寸小，适合微型器件 的散热；无需吸液芯的要求减少了热管结构的复杂性和生产成本；脉动动力来自 于脉动热管本身，属于非能动式冷却技术，无需其它附属设备，从而降低了运行 和维护成本。 2 、传热性能优异。脉动热管虽然也存在着的传热极限，但在合适的充液率 下，其热流密度可以很大而不会烧干。研究学者通过实验指出：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。 3 、加热方式多样化。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。 4 、适应性能强。脉动热管的形状可以随意弯曲，管中至少有一个加热端和 冷却端，在中间也可以选择有绝热段，而且加热和冷却的部位可以任意选取；可 以在任意倾斜角度和加热方式下工作，这就极大增加了它的适应性，扩大了应用 领域的可能性。 1 4 脉动热管的研究现状 2 0 世纪9 0 年代a k a c h i 在他的专利中首次提出了脉动热管的概念，并通过 实验认为脉动热管克服了许多传统热管的缺点，由此逐渐引起了世界各地工程师 和科学家的兴趣与关注，相继投入力量对其进行研究。 目前，国内外研究学者对脉动热管的研究主要可分为理论研究和实验研究。 其中大多数为实验研究，研究者通过开展很多观察流动特性的实验，总结其运行 现象的规律，研究管径、工质、加热方式、充装率、倾角等因素对脉动热管运行 和传热的影响，认识其传热机理和特性。另一方面，研究者从理论方面，主要是 建立物理和数学模型以更好地认识其运行和传热机理。下面分别对这两种方法的 研究现状做介绍。 1 4 1 脉动热管的实验研究 脉动热管的实验研究是指研究学者通过搭建实验平台，研究脉动热管的总 长、直径、截面形状、工质种类、充液率的大小以及倾斜角度等因素对热管传热 性能的影响。目前，学者们对热管的实验研究主要有以下几种方法：可视化实验 研究、金属管实验研究、板式热管实验研究。 ( 1 ) 可视化实验研究 杨蔚原f 7 】等搭建了如图卜3 所示的可视化实验台，为了便于观察，脉动热管 采用玻璃管制作，玻璃方箱为冷热水箱；工质为蒸馏水；热管高3 0 0 r a m ，内径为 3 m m ，外径为5 m m ，加热段长9 0 r a m ，冷却段长7 5 r a m ，冷水温度为2 3 。实验过程 用摄像机记录，冷热水温度用热电偶通过多通道测温系统测量。 l 2 3 冷水 图1 - 3 可视化实验装置不意图 f i g l 3t h ed i a g r a mo ft h ev i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t a ld e v i c e 在实验过程中发现，热管稳定运行时，工质并不是在某个u 型管，或直管 内往复随机振荡，而是循环的单向流动( 充液率低于2 0 除外) ，中间有规律的、 周期性的停顿和徘徊，具有鲜明的周期性脉冲流动的特点；单向流动在经过一段 时间后方向可能发生逆转，转而向另一个方向单向流动；这种单向脉动的特点是 否显著，转换方向的频繁程度与加热段长度、充液率和换热条件等有关。此外， 实验过程中还观察到，在加热端，新生成的气泡和流经加热端的气泡( 主要是流 经加热端的气泡) 迅速膨胀，并且膨胀过程是相当剧烈的，气泡有很小的体积迅 速膨胀至充满整个加热端，由此推动汽塞和液塞运动并使冷凝端气柱压缩和冷 4 凝。实验最后对这些现象进行了分析，并总结了各种因素对热管传热性能的影响。 在闭合回路振动热管可视化实验中，l e e 8 】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 9 】等观察 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。 ( 2 ) 金属管实验研究 崔晓珏【lo 】等人将一根铜管弯曲成蛇形封闭的循环热管，热管由5 个弯段组 成，铜管内径为2 m m ，外径4 2 m m ，总长1 6 m 。实验测定了该振荡热管在不同充液 率和不同加热功率下的热阻。根据其实验现象及对热阻的比较，分析了不同情况 下振荡热管不同的传热机理，给出了振荡热管的工作特性，为开发、设计和使用 振荡热管提供了参考。此实验的主要结论有：部分充液的闭式循环毛细尺寸热 管在达到一定的换热条件时会产生振荡，振荡对热管传热性能的提高非常显著。 在本文实验条件下，振荡热管的最小热阻可达到无充液管纯导热热阻的一半以 下。利用这一特性，合理开发、设计、使用振荡热管，可以获得较为满意的换热 效果。振荡热管传热性能随换热条件、充注率变化而变化。一定充液范围内， 当功率达到一定值时，热管工作于振荡状态。充液率越小，振荡发生所需的加热 功率越小，表现出加热功率较小时，充注率越小，热阻越小。而随功率增大，热 阻相差越来越小。充注率过小( 小于1 0 ) 或过大( 大于9 0 ) 均不能形成振荡，热管 传热性能较差。 c h a r o e n s a w a n 1 1 】等人采用三种工质和两种内径的铜制c l p h p 实验性能。实验 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n 对装置性能 的影响。实验结果表明，管内径、倾斜角和弯管数n 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意操作，并随着水平倾斜角的增大，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地步加热模式下，并随着装置向水平倾斜，装置 热性能下降。 马永锡，张红【1 2 】等通过管式铜一水闭合回路振荡热管的传热性能试验，分析 了振荡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；振荡热管稳定运行 时，绝热段各管管壁温度波动是有规律、周期性的。 ( 3 ) 板式脉动热管实验研究 板式脉动热管在实验加工方面，具有加工比较困难，密封不容易的缺点，所 以，同管式脉动热管的实验研究相比，板式热管的实验研究相对较少，但因为板 式热管易于小型化而比管式热管更适合于应用在电子散热领域，其应用范围和前 景都很广阔，因此对其进行深入的研究很有现实的意义。 曹小林【1 3 】等在一块1 8 0 r a m 5 4 r a m 4 m m 的硬铝板上铣出若干平行且相互连通 的凹槽，再在硬铝板上盖以玻璃板即形成可视化的板式脉动热管。实验重点研究 了不同的充液率、倾角、截面形状和加热量等因素对热管传热性能的影响。实验 结果表明：脉动热管作为一种十分有效的散热元件，存在着传热极限。在最佳充 液率( 5 0 ) 和最佳倾斜角( 5 0 。) 时，传热极限最高，高热流密度下的传热热 阻最低，而且不同的截面形状对热管的传热极限也有很大的影响。 k a t h r y nn i k k a n e n 1 4 】等用m p e 管制成开环和闭环脉动热管，横截面形状有 矩形和三角形等，试验件尺寸很小，很适合应用于电子芯片散热，试验研究了充 液率对板式脉动热管的影响，研究发现在矩形截面的脉动热管中，充液率在 4 0 - 6 0 之间达到最大传热特性，同时研究了不同截面形状，不同开闭环形式和 不同工质，所能达到最大的热流密度，作者得出脉动热管的性能依靠热管的特性 参数如弯道数、管道形状、大小和开闭环结构等，理解这些参数对脉动热管的影 响对于设计实际应用的热管是非常重要的。同时研究还认为，弯道数对于设计脉 动热管十分重要，对于开环脉动热管，最佳充液率要比闭环脉动热管的最佳充液 率低。 1 4 2 脉动热管的理论研究 脉动热管的结构虽比普通热管简单，但是其内部的运行机理远比普通热管复 杂，要建立一个能完全描述其运行机理的数学模型还比较困难。尽管研究学者们 对脉动热管的振荡机理也提出了各种各样的理论模型，但这些模型都是在许多假 设条件下提出的，只能在趋势上得出一些结论，与热管的实际运行情况还存在一 定的差距。 按照建立模型的方法不同，目前的模型主要可以分为以下几种： 1 、质量、动量、能量守恒法 质量、动量、能量守恒法是指通过对管内单个或多个气液塞的分析，建立起 质量方程、动量方程和能量方程，然后将所建立的微分方程进行时间离散，再采 用数值计算方法计算每个时间步长下的量，观察热管的传热性能在不同的参数条 件下随时间变化的情况。目前，大部分的学者都采用这种方法研究热管的震荡机 理。 6 r o b e r tt h o m a sd o b s o n i , , j 等将脉动热管简化为一个一端开口、一端封闭的 直管，如图1 4 所示，开口端保持恒定的压力，管内有一个汽塞和一个液塞。模 型假设了蒸发和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。 则对于液塞的连续性方程为： 等= 加1 删，也，却 _ 产= 加p 却一m p ，0 w + 加，却 动量方程： 聊p 罢= f ；其中f 为液塞所有受力的矢量和。 汽塞的连续性方程为： a m ， i = m v , i 一mv , o u t 一，c 能量方程为： 鲁- m v , i n i v - mv , o u t l - p v aa 万x p 理想气体状态方程为：p ，a = m 。r ，z ， “ ：l 憾娃紫 “。1 ” 一 k山厶i一厶二 1 疋瞻k 一乓 局死一 o ，功巧口y 石口， ，7 匕o 掣切j ，y 口 p 、小铲沪o 、一一v “p 栌，t 一t p 1 l ”小一p _ 一、o 、小 一v 一一o 、一i y1 。1 ，仇， 矿o ，p p ，p p p v 、p 口，p 讲 ， 譬 、 一- 小巾、，6 中一“、r 铲一、，t -mh-：-。：】 l 、ll妊j 1 b、 一 却 一 1 l _ 4 脉动热管简化模型示意图 f i 9 1 - 4t h es i m p l i f i e dm o d e ld i a g r a mo f p u l s a t i n gh e a tp i p e 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推动液塞 向开口段移动，当汽塞进入冷凝端后蒸汽遇冷凝结，液塞又被推向反方向。而汽 塞回到加热端后又被加热，气体压力重新增加，如此循环，液塞便形成一个周期 性振荡的往复运动。对上述质量、动量、能量方程，进行时间离散化并采用程序 语言将其进行迭代计算，计算得出液塞的温度、速度、位移随时间的变化的情况。 匹 结果显示，液塞在往复振荡过程中呈现出阻尼振荡的趋势，并且表面张力在液塞 振荡过程中起着重要的作用。此结论对实验研究具有一定的指导作用。 y u w c nz h a n g 1 6 】【1 7 】在之后文章里又分析了在单个弯管，和多个弯管的气、液 塞之间的脉动，建立了更近脉动热管实际情况的模型。 此外，b h o l l e y 、a f a g h r i t l 8 】也采用质量、动量和能量守恒方程法对有吸液 芯变管径的脉动热管进行了数值模拟，模型认为流动是一维的，对每个液塞应用 动量方程，在整个模拟过程中认为液塞的数目和质量是变化的，对壁面、吸液芯 以及工作流体应用能量方程，应用此模型还可以分析管径、重力、充液率、加热 段冷却段长度比对热管性能的影响，模型得出的结果与实验相吻合，模型如图 1 5 所示。 ，。秽 一鳓a 西。 2 ；f 。 蒯誓碑 图1 5 热量和质量的流进和流出控制体不意图 f i g l - 5t h ed i a g r a mo f h e a ta n dm a s sf l o w i n gi n t oa n d o u to f c o n t r o lv o l u m e 2 、半经验公式法 半经验公式法是指在大量实验数据基础上，建立起经验或半经验公式的无量 纲表达式或准则关联式等，通常是行之有效的办法，但有相应的实验条件及适用 范围等。 s r i t t i d e c h 1 9 1 等在大量的实验基础上对带有单向阀的闭环脉动热管建立 了基于无量纲数的半经验公式： = o 0 0 0 4 酽巧1 1 2 p 舵魄局) o 磷哆8 心珥) o - 5 r 研 上式可以预测热管垂直放置下的热流量。式中：k u 数是脉动热管热流量与工 质临界热流量之比；b 。数是浮力与表面张力之比；w 。数是惯性力与表面张力之比； f ，数是惯性力与重力之比；j 。数是潜热与定压比热之比；p ，数是汽塞动力扩散率 与热扩散率之比，r 。，是单向阀的数量与脉动热管弯数的比值，厶4 为蒸发段长 度与内径之比，用来定义脉动热管的尺寸。 3 、弹簧一质量一阻尼系统模型法 该方法是用一个或多个弹性阻尼来模拟管内流体的振荡流动和压力波动的 情况。 h b m a 2 0 1 等人将单根的脉动热管简化成如下图所示，则利用牛顿第二定律 即可建立起液塞的运动方程。 t ；v a t x r a l i n ga d i a b a t i cs e c t i o n c o n d e g i n g 妣c t i o n l a 瓣c 1 1 kl c ： ：j。! j l ：j： ：1 r j l，1 17 i 【】，【j ( 】，( 】( 】 x 炒 l i 函o 图1 - 6 脉动热管理论模型不意图 f i g l 6t h et h e o r e t i c a lm o d e ld i a g r a mo f p u l s a t i n gh e a tp i p e 液塞在运动过程中所受的力有驱动力乃、摩擦阻力f 、以及汽塞形变所产 生的力e ，现在计算分别各个力的表示形式。 液塞在运动过程中的驱动力可以看作是由蒸发段和冷凝段的压差引起的，根 据克拉贝隆克劳修斯方程，则有 易础_ 叱卅叫叫唧( 等蟹) - l m 将方程右端展开则有凹：丁警，i ! ia t ：垒生与垒叠 1 + c o s ( 研) 】，分别代 入上式则有： 只啦么= 竽生产【1 + 酬冽，艮p 为系统的周期驱 动力。摩擦阻力则可表示为： z = 嵋小卜酬筹h 工埘c 篆，修d x 么 由汽塞形变所产生的力删可表示为：c = 晖小警x ，由此建立起液 塞的运动方程为： ( ”地) 彳窘- ( 竽 ( 竖等) 1 + 州训 一卜酬铮姒埘c 鸶帕d x 小竽x 紧接着，h b m a 等人将上述的运动方程耦合上换热，模型包括因脉动而产生的 9 该模型较为简单，容易理解和使用。但模型中然存在着一些不足的地方，如认为 热端和冷端的压差即为驱动力，有些过于简化，而且设定的驱动力频率即为热管 的故有频率也是假想的，没有严格的证明，同时也没有考虑液塞在运动过程中所 受到的毛细滞后阻力的影响。由于一些项简化过于严重，这也导致了模型不能很 好的反应实际情况，与热管实际的振荡情况存在着误差。 曲伟【2 l 】等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 个汽塞和液塞作为研究对象，其基本假设：( 1 ) 与液塞质量相比，汽塞的质量忽 略不计。( 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，摩擦力。由牛顿第二定律得出： 一k x + ( 兄一兄) 4c o s ( 研) 一8 硝t 害= 箬 式中：墨为弹性系数；兄为蒸发段压强，足为冷凝段压强，4 为管的横截面 积，上式可以写成强迫振动的微分方程的形式： 等+ 2 口拿+ b 2 x = f o e o s ( 功f ) d t 2d t 、。 再由缈= q b 2 一口2 得到关于频率的表达式： 厂：旦：上再d ：上 r = 一= 一u 一一d 一= 一 。 2 万2 万2 万 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。一些既得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。 l o 综上所述可知，弹簧一质量一阻尼系统模型法的核心思想是把加热和冷却过 程看作是两个外界扰动源，并用拉格朗日方法来描述流体的运动特性，可预测气 液柱的长度，分析充灌率的影响等。但其缺点是过于简化蒸发和冷凝过程，只强 调吸热或放量的数量，而忽略了相变过程中出现的重要物理现象，如气泡的生成、 膨胀、合并、收缩及破裂等等。因此，该模型与实际结果还存在着一定得差距。 4 、神经网络分析法 该方法是模拟人脑的思考过程，通过对已有知识的反复学习和映射，去解决 一些类似的未知问题。一个好的神经模型非常容易使用，使用者只需提供输入参 数，模型会自动预测结果，且结果准确。它特别适用于解决多参数影响的高度非 线性问题。 崔晓钰【2 2 】把神经网络方法应用到了脉动热管的建模中。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，采用神经网络分析模型预测还是非 常有希望的。 5 、其它方法 曲俐2 3 1 等对尺度效应对脉动热管启动和运行的影响进行分析建立了脉动热 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。 对于气泡分配有两种情况：( 1 ) 毛细管中较小的球状汽泡；( 2 ) 长的圆柱形气泡。 对于后面的情况，由于气泡较大，通常被称为t a y l o r 汽泡，给出的数学模型得到 最小启动热流密度可表示为： 九i at , n v | o r 口= ：= 1 r i i n 【( 一4 ) 】 式中a 乙咖为长泰勒( t a y l o r ) 气泡需要的壁面过热度：为脉动热管内径；4 为 液膜厚度。由此得到的结论有：毛细管内表面间的半径大小对脉动热管的启动 起着很大的作用。蒸汽泡的形状影响着脉动热管的启动热，球形气泡所受的热 量更小。热管的启动效率可用更粗糙的表面、控制气泡的种类和选择一种合适 的工质等方法加以改进。 马永锡、张红1 2 4 】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 4 3 本课题组前期的研究内容 本课题组前期主要进行了管式以及板式脉动热管的实验研究，并采用不同的 理论方法建立了脉动热管的振荡模型，具体的研究内容可分为以下几点： l 、搭建了管式脉动热管的可视化实验台，采用玻璃脉动热管进行实验，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 不同的加热方式时脉动热管的运行状况【2 5 1 。通过实验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，同时实验还观察到气泡的往复振 荡、气、液塞的破碎和聚合等现象【2 6 1 。 2 、改进了实验台，采用管式紫铜脉动热管进行流动传热性能的实验【2 丌，利 用数据采集仪采集管壁的温度变化。实验研究了各种影响参数( 如充液率、加热 功率、倾斜角、弯管数等) 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 、搭建了小型板式脉动热管实验台架，设计了不同尺寸的板式脉动热管， 实验研究了热管启动运行情况，分析了启动时温度变化特征。同时实验还研究了 了各种影响参数( 如加热功率、倾斜角、截面形状等) 对板式脉动热管传热性能 的影响，并分析比较了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，得出最优化的结构条件【2 8 】。 4 、在理论研究方面，分别采用弹簧一质量一阻尼系统模型法和质量、动量、 能量守恒法初步建立了脉动热管内气液塞的振荡模型，从理论上分析了液塞产生 运动的原因以及各种因素对液塞模型运动、传导热量的影响。 1 5 小结 通过阅读相关研究学者的文献可知，到目前为止，学者们对脉动热管的研究 还处于初步的阶段。通过实验积累的数据还远远不够，因为影响热管性能的因素 例很多，例如充液率、倾角、工质、加热方式、弯数、管径、热管材料、加热 冷却段长度、热管高度、冷却方式、加热功率、热管截面形状、内表面状况、有 无单向阀等等，而且这些因素都是相互关联，相互作用【3 0 】的，而目前对热管的 实验研究往往局限于一个或几个因素，并不能反应热管工作的真实情况。因此， 对脉动热管还需进行大量的实验研究。同时，对热管的运行和传热机理也缺乏清 晰的认识，学者们对热管的理论研究大部分都是在许多假设条件和简化的模型下 1 2 进行的，这些模型与热管运行的实际情况都存在一定的差距，不能准确反应热管 的传热机理，故对热管的理论研究也有待更加深入的研究。 1 6 本文研究的主要内容 1 、搭建了小型化的板式脉动热管实验台，在底加热以及顶加热的方式下， 研究了板式脉动热管的启动特性以及各种因素对热管传热性能的影响，并比较了 板式脉动热管在不同加热方式下的运行性能。 2 、改进实验台，制作了可视化的板式脉动热管，目前国内外对板式脉动热 管的可视化实验研究比较少，通过可视化观察热管工作时管内工质运动的流型以 及流态分布情况，改变不同的实验条件，观察管内工质运动流型的变化，并分析 其原因。 3 、在理论研究上，采用动量、质量、能量守恒方法建立起汽塞和液塞振荡 的物理模型。从理论上分析液塞产生运动的原因，观察液塞振荡的速度和位移随 时间变化的情况。对计算结果进行分析，改变参数和初始条件，研究加热功率、 工质等因素对液塞振荡的影响。 2 1 实验研究背景 2 板式脉动热管实验装置 自从脉动热管的出现开始，国内外的研究学者就已经对其开展了大量的实验 研究，但大部分的研究都集中于管式脉动热管传热性能以及可视化的研究。本课 题组前期也开展了管式脉动热管的实验研究，主要研究的内容包括观察管内流动 状况的可视化实验以及使用紫铜管制成的脉动热管所进行的传热特性实验。通过 以上实验分析了其运行机理和传热特性，对管式脉动热管的管内流动和传热情况 有了一定的认识。针对板式脉动热管的实验研究相对少一些，而相比于管式脉动 热管，板式脉动热管则具有自身的一些优点。例如采用管式脉动热管，由于其结 构和管间距所限制，很难实现其小型化、紧凑化，而使用平板式脉动热管则可以 将槽道尺寸和槽道间距缩小，进而实现热管的小型化、紧凑化，为应用于小空间 高热流密度的场合提供了条件。同时板式脉动热管的截面形状更加灵活，可以加 工成各种形状，不同的截面形状也影响着热管的传热性能。 通过阅读相关的文献可知，研究学者对板式脉动热管的研究也主要集中于热 管传热性能和可视化的研究。s k h a n d e k 一3 l 】等研究了不同的截面形状( 圆形和 矩形) 对板式脉动热管传热的影响，实验发现矩形槽道在充液率低的情况下很难 形成液塞，因为矩形槽道存在角区域，从而使得液体大多数集中于角区域。本课