脉动热管数值模拟

脉动热管的数值模拟 摘要 脉动热管 PHP 是一种基于两相流热控设备的基础的同时发生蒸发和冷凝现象 目前常 用的图形模拟及辅助模拟法均利用两相流模型解决了单闭环 PHP 的问题 通过数值模拟完成常 变量在不同的边界条件的热物理性能 以方便对其不同参数下流型的研究 最新的 PHP 模型增加 了热量传递率的参数 从研究获得的结果 关键词 脉动热管 PHP 闭环 打靶法 均匀流 1 简介 随着包装技术的进步 电子热管理计算取得了新的进展 新型冷却方法是热量管理成功所必 需的条件 脉动或循环型热管道是一个相对较新的研究方向 这个创新研究领域 首先由 Akachi 等人提出 1 脉动热管 图 1 是一种基于两相流热控设备的基础的同时发生蒸发和冷凝现象 在蒸发器 内 工作流体在发生蒸发区域产生蒸汽栓塞 推动流体呈弹状向冷凝器移动 蒸汽的弹状运动和 脉动热管的密度变化的为操作设备提供驱动力 各种参数的变化均会影响到 PHP 的性能 如何区 分主要参数和次要参数使得研究者不断尝试提出更好的 PHP 研究模型 因此 参数化研究是极其 重要的 是如何实现利益最大化的基础 2 数学模型 用来解决闭环脉动热管的数学模型的建立是通过将质量 能量 动量方程进行模型建立 Khandekar 等 2 Manyam 3 不同的公式会获得不同的两相流模型 均匀流模型和分离流模 型 没有任何一个特定的流态参考 这些模型用于计算压降 目前均相流模型使用较为广泛 PHP 在弯曲的压力降相关性的计算使用由 Chisholm 提出的模型 4 其传热系数的计算可使用由 Chen 提出的数学模型 5 均质模型是假设在液相和气相阶段工作流体是均匀变化的 我们假设速度 温度和压力的各 个阶段均是平等的 这种假设认为在这三个变量的差异将促进动量 能量和质量之间的相转移速 度均匀平稳 这个模型的一个重要的几个方程如下 图 1 闭环 PHP 图 2 管内两相流 热管两相流模型基于稳态方程式而建立 质量守恒方程 vlmmm mAu 1 动量平衡方程 2 整理上述模型 Fag dpdpdpdp dzdzdzdz 3 压力梯度摩擦 2 2 tp F f G v dp dzD 4 所以 1 vl vv xx v 5 Re n TP fB Re GD 11 vl xx vv 6 8 B 16 n 1 if Re 2100 B 0 079 n 0 25 if Re 2100 压力速度梯度 22 p v vl a d dvdvdxdp GGvv dzdzdzdpdz 9 重力梯度 cos g dpg dzv 10 sinAdpdFA gdzmdu 由 10 和 11 式 3 得 2 2 1 vl Fg v dpdxdp Gvv dzdzdz dp dv dz G vx dz 11 能量方程 22 cos 22 vl vl v vll m um uddQ m hm hmg dzdz 12 上述方程简化和整理 我们得到 13 2 2 4 cos 1 vlv lvvl dhdhdvq gxxG vx dx GDdzdxdz dzhG v vv 3 闭环问题 射击法 利用上一节中所述的数学模型 式 12 14 可以计算出 PHP 的压降 但是 对 于一个现实的模型 如果我们在一开始设置入口点的蒸发器 经过遍历所有的 PHP 循环 回到同 一点 净压降应为零 图 3 PHP 压降变化曲线 图 4 PHP 新型目标设计 使用射击方法来解决这个问题 压降如图 3 所示 利用热物理性能不变的模式 这个问题也 解决了变量热物理性质的问题 通过数值模拟完成多项参数研究 4 PHP 新设计建议 PHP 闭环如图 1 所示 蒸发器的长度与表面积参数可用于对散热即有限的热源 如 对被冷 却物体 的长度的计算 为了强化传热 一个新的设计采用了螺旋蒸发器 提出如图所示图 4 在这个设计中 弯曲处往往会降低流速和压降 增加蒸发器表面面积及传热与加息蒸发器的长度 参数变化在下一节中进行数值模拟 5 数值结果与讨论 PHP 数值模拟所获得的一些结果讨论如下 对直径 长度 质量流量 倾斜的和工作流体条件都进行了研究 对新设计 图 4 进行分 析和提出了一些结果 结果表明 热传递速率显著增强 有图 5 可知质量流量增加与管径的关系 由图 6 得 质量流量先增大后减小的传热率增加 最初为 Q 的增加 质量提高而导致出口大量减 少 导致质量流量的提高 但是随着 Q 是进一步增加 蒸发器出口质量的进一步提高 从而导致 增加摩擦压降 当压力下降 质量流量减小 图 5 质量流量与直径 图 6 质量流量与热传递比率 图 7 是新的建议设计的数值模拟 随着蒸发器长度的增加传热比率的变化 图 8 表示 PHP 散热接触面积增加与直径的关系 其中弯曲模型蒸发器忽略压降变化 预测传热比率在不可忽略 传输速率 图 7 热传递比率与蒸发器长 图 8 热传递比率与直径 随着出口质量提高蒸发器传热的长度也随之增加 图 9 结果表明 在弯曲模型蒸发器中忽略 压降是 会降低出口质量相比 因为在后一种情况下 更多的压力下降 会导致更少的质量流率 和高热传输速率 图 9 出口流速与管长 图 10 质量流量与管长 如图 10 所示质量流量随蒸发器长度的增加而增加 随着长度的增加 压力下降结果质量流率 增加更加迅速 该模型中弯管处压降也被忽略 如上所述 这样做的原因是在增加压降 图 11 压降与位置 图 12 出口流速与倾斜角度 图 11 所示压降在不同位置的变化 图中的每一个步骤在弯道位置的压降 这在压降沿着弯曲 的位置增加 因为在蒸发器中 两相压降在弯曲时的质量提高弯曲增加 图 12 可知 蒸发器出口 处在重力影响下倾斜质量流量减少 6 结论 本论文通过软件数值模拟 确定 PHP 两相压降计算使用均匀流模型 对各种参数如直径 长 度 压力 质量流量 温度对 PHP 的性能的影响进行了研究 对增加散热与增加直径 PHP 和蒸 发器的长度进行研究 提出了一个新的设计使蒸发器的长度可以变化 以获得更多的散热率 参考文献 1 H Akachi F Pol svek and P Svtulc Pulsating Heat Pipes Proceedings 5th International Heat Pipe Symp Melbourne Australia 1996 pp 208 217 2 Sameer Khandekar Sanka V V S N S Manyam M Groll and Manmohan Pandey Two phase flow modeling in closed loop pulsating heat pipes 13th International Heat Pipe Conference 13th IHPC Shanghai China September 21 25 2004 3 Sanka V V S N S Manyam Modeling two phase flows in mini channels Application to pulsating heat pipes Indian Institute of Technology Guwahati M Tech Thesis 2004 4 D Chisholm Pressure losses in bends and tees during steam water flow NEL Report No 318 1967