脉动热管气液塞位置分布对启动性能的影响

脉动热管气液塞位置分布对启动性能的影响

0脉动热管内气液塞初始分布随着现代电子技术和通信技术的快速发展，逐步开发的电子系统和高密度密封对电子产品的热量提出了新的要求。虽然脉动热管结构简单,但其内部运行机制较为复杂,涉及到两相流相变传热、薄液膜蒸发、毛细力、表面张力、摩擦力和重力的作用等然而目前很少有公开的文献把脉动热管内气液塞初始分布作为一个变量来研究其对脉动热管性能的影响。此外,充注方式的不同在实际应用中也是非常常见且需要考虑的问题。针对此,本文拟搭建以内径2mm为例的脉动热管可视化气液塞分布实验装置,研究不同充液率下和不同充注方式(分次充注和一次性充注)下气液塞分布的规律,为理论模型的改善和启动性能的提高提供更精确的初始条件。1实验1.1实验方法及过程为了研究气液塞的初始分布,本文研制了脉动热管可视化实验装置,其流程图如图1所示。该装置主要包括脉动热管、充液抽真空装置、加热系统、冷却系统和图像及数据采集系统。实验中采用的脉动热管由石英玻璃制成,其是内径为2mm,外径为7.5mm,弯头数目为5,脉动热管中蒸发段长度为50mm,冷凝段长度为100mm。工作流体为去离子水;脉动热管垂直90°放置。实验中采用电加热的方法,将镍铬加热丝缠绕在蒸发段,通过改变镍铬电加热丝两端电压来改变输入脉动热管蒸发段的热流。冷凝段采用22℃恒温水进行冷却。实验中通过压力传感器来验证装置的气密性及检测真空度是否达到要求。采用的压力传感器型号为PTX-5072,量程为0～2MPa,其值由Agilent34970六位半多功能万用表采集,其压力总的不确度为±800Pa。实验过程中,通过调压变压器调整输入电压,从而改变输入热量的大小,其输入功率由功率表测量。采用的功率表型号为HB404P-Z,精度为0.2级。图像记录采用的摄像机型号为NikonCoolpix5700和SnoyDSC-S753。1.2气液塞初始分布对起振的影响根据以往的研究,脉动热管在20%～80%充液率下能正常工作与此同时,为探究气液塞初始分布对脉动热管气液塞起振的影响,本文还设计了在50%充液率下脉动热管的启动试验。蒸发段输入的加热功率从10W开始增加,观察脉动热管内气液塞的运动状态以寻找不同气液塞初始分布下脉动热管的起振功率。1.3不同气液塞分布情况下脉动热管起振功率实验实验步骤如下:1)按照实验设计方案连接脉动热管系统、充液抽真空装置、加热系统、冷却水系统和数据采集系统;2)在实验准备阶段,利用高压氮气对管道内部的杂物进行吹除并且保证管道内部的干燥。为了确保管道气密性,在充注之前对装置进行保压试验验证;3)在充注之前利用真空泵对脉动热管进行抽真空,将管内压力抽至1Pa以下;4)设计实验充液率及充注方式,如表1所示;5)根据管内容积和充液率30%计算的去离子水体积进行充注,待去离子水在脉动热管中稳定后,用相机记录下管内气液塞的分布情况;6)改变充液率和充注方式,每组实验重复30次,并分别记录下管内气液塞的分布情况;7)在进行完气液塞分布情况之后开展充注50%充液率时不同气液塞分布情况下脉动热管起振功率实验,其具体情况为:脉动热管恒温水箱设定水温为22℃,并保持温度在一定时间内稳定;打开变压器和功率表的电源,在10W功率下持续加热30min,观察气液塞是否开始振荡;若未开始振荡则继续以5W为步长增加加热功率。每个功率下持续加热30min,观察气液塞的运动,若气液塞开始振荡则记录该时刻的功率。2结果与讨论2.1不同充注方式下的液塞分布本文通过脉动热管可视化实验得到初始气液塞分布的图像,并对各管段进行编号如图2所示。在实验中利用高清摄像机得到30组气液塞初始分布的图像,本文通过Matlab软件对图像进行处理,统计不同充液率和不同充注方式下脉动热管液塞位置分布和长度的规律,见图3、4。图3(a)表示充液率30%一次性充注的液塞分布统计结果;图3(b)为50%充液率分两次充注(30%+20%)的液塞分布统计结果;图3(c)给出了充液率为70%时分三次充注(30%+20%+20%)的液塞分布统计结果;图4给出了充液率为50%一次性充注的统计结果。按照本实验所设计的脉动热管充注口充注时,不同充液率和不同充注方法下的初始气液塞分布有一些共同的特点。从统计结果图3、4中可以看出,竖直管4～6出现液塞的频率最低,在充注过程中,去离子水经充注口充入后,液塞从水平管段左右两侧向下流动,因此气液塞稳定后中间部分的竖直管常出现长段气塞。从图3中还可以看出随充液率上升,中间竖直管内长气塞缩短,脉动热管整体气液塞分布呈现更为均匀的状态。此外,对比图3(b)和图4,后者初始液塞分布更均匀,因此分次充注时脉动热管初始气液塞均匀性比一次性充注时要好。此外,本文还统计了脉动热管充注后液塞的初始长度,见图5。从统计结果中可以得出,大部分液塞的长度集中在1～10mm,且2～4mm长度范围内的液塞出现频率最大。对比不同的充液率下液塞长度的分布得出,随着充液率的降低,脉动热管中短液塞所占的比例提高。2.2气液塞初始分布为了研究气液塞初始分布对于脉动热管启动性能的影响,本文在可视化实验中观察了不同气液塞分布情况下脉动热管内起振的情况,其结果见图6～9。脉动热管内蒸发段气液塞分布较为均匀时(见图6),气液塞在15W加热功率下已经形成整体的流动,开始振荡。开始振荡时气液塞的运动如图7所示。而当蒸发段弯头处聚集长气塞时(见图8),加热功率增加至20～40W气液塞才开始振荡,如图9。因此,脉动热管内气液塞初始分布对于气液塞起振有重要的影响,蒸发段弯头内气液塞的均匀分布有利于脉动热管的启动。因此,结合前文中脉动热管初始气液塞分布规律的研究,分次充注或适当提高充液率有利于提高气液塞分布的均匀性,有助于脉动热管气液塞的起振。3有利于提高脉动热管气液塞分布的均匀性本文在可视化实验的基础上,在本文给出的充注口位置的情况下研究了不同充液率和充注方式下脉动热管初始气液塞分布的规律。研究了不同气液塞分布对脉动热管中气液塞起振的影响。得出了以下结论:1)脉动热管充注统计结果显示:中间管段较容易出现长气塞,而其他管段气液塞分布较为均匀;分次充注和增大充液率有利于提高脉动热管初始气液塞分布的均匀性。2)脉动热管初始液塞长度统计显示:初始液塞的长度集中在1～10mm,且2～4mm长度范围内的液塞出现频率最大;随着充液率的降低,短液塞出现的频率提高