回路型脉动热管稳定运行传热模型的建立及分析

建立了简单回路脉动热管稳定运行的传热模型,分析影响稳定传热热阻和传热功率的主要因素。结果显示,回路脉动热管的传热热阻可分为冷却热阻和循环热阻,其中冷却流速、冷却面积和冷却段长度占总长度的比例,是影响冷却热阻的主要因素;热源温度和充液率是影响循环热阻的主要因素;冷却温度对传热热阻影响很小。对空气冷却式回路脉动热管,提高冷却面积、冷却段长度比例和冷却流速,提高热源温度、降低冷却温度,提高充液率都可提高传热功率,其中前3个因素是提高传热功率的最佳途径。稳定运行时,传热功率的充液率范围为10%～80%,且随充液率增加,传热功率略有增加。     

倾角及充液率对并联式脉动热管传热性能的影响

以超纯水为工质,在不同的充液率（35%、50%、70%）和倾角（60°、90°）下,对并联式脉动热管的传热特性进行实验研究,分析在不同加热功率下充液率和倾角对并联式脉动热管壁面温度、加热端与冷凝端温差、传热量及传热热阻的影响,并对传热热阻进行不确定度计算。实验结果表明,充液率和倾角对脉动热管的传热特性影响显著。倾角为90°时,3种充液率条件下,充液率为35%和50%时的壁面温度脉动稳定性要优于充液率为70%的情况,并且充液率为50%的传热热阻最小,加热端与冷凝端温差最小,充液率为70%的传热热阻最大,加热端与冷凝端温差最大。充液率为50%,倾角为60°和90°时,在相同的加热功率下,倾角为60°的壁面温度的脉动幅度较大,传热热阻较高,传热极限变窄,传热效果明显差于倾角为90°的情况。     

等截面和变截面通道硅基微型脉动热管传热特性比较

为了解截面结构对微型脉动热管传热性能和内部工质流动特征的影响,采用可视化和温度测量的方法对比研究了等截面和变截面硅基微型脉动热管内的工质运动和传热特性。实验工质为R141b,充液率为40%～60%。实验结果发现,变截面通道结构的设计不仅有利于降低微型脉动热管的热阻,提高其传热能力,同时可有效改善其启动性能。随着充液率的增大,该优势更加明显,当充液率约60%时变截面微型脉动热管的启动功率和启动蒸发段平均温度比等截面热管分别下降约0.4 W和17.3℃。另外,因变截面结构而形成的附加毛细作用可使微型脉动热管内工质发生短暂定向运动,而在等截面热管中则未观察到上述现象。     

等截面和变截面通道硅基微型脉动热管传热特性比较

为了解截面结构对微型脉动热管传热性能和内部工质流动特征的影响,采用可视化和温度测量的方法对比研究了等截面和变截面硅基微型脉动热管内的工质运动和传热特性。实验工质为R141b,充液率为40%～60%。实验结果发现,变截面通道结构的设计不仅有利于降低微型脉动热管的热阻,提高其传热能力,同时可有效改善其启动性能。随着充液率的增大,该优势更加明显,当充液率约60%时变截面微型脉动热管的启动功率和启动蒸发段平均温度比等截面热管分别下降约0.4 W和17.3℃。另外,因变截面结构而形成的附加毛细作用可使微型脉动热管内工质发生短暂定向运动,而在等截面热管中则未观察到上述现象。     

氧化石墨烯/自湿润流体脉动热管的传热特性

以氧化石墨烯分散液(浓度为0.5mg/mL)和正丁醇水溶液(质量分数为0.5%)的混合溶液(体积比2:5)为工质,充液率为50%,对不同加热功率条件下环路脉动热管稳定运行的传热特性进行实验研究,并与正丁醇水溶液和去离子水的传热性能进行对比,分析了混合溶液在脉动热管稳定运行时冷热端温差和传热热阻的变化特点,探究了氧化石墨烯对自湿润流体传热性能的影响。研究结果表明:在自湿润流体中加入氧化石墨烯能够强化脉动热管的传热特性,但是和脉动热管的加热功率密切相关;在低加热功率下,氧化石墨烯对自湿润流体脉动热管的传热特性没有强化作用;随着加热功率的增加,强化作用明显增强,而当加热功率过大时,强化作用又会逐渐减弱。     

新型三维脉动热管的性能

把传统脉动热管冷却段改进成双螺旋结构,形成新型三维脉动热管,并建立实验平台,考察了以丙酮为工质,在充液率54%、冷却水温度22℃的条件下,不同加热功率（20~700W）、不同倾斜角度（0°、50°、90°）对新型三维脉动热管的启动以及传热性能的影响,通过加热段以及冷却段管壁温度变化判断脉动热管启动运行特性,通过总热阻评价热管传热效果。实验结果表明,脉动热管在0°、50°和90°倾斜角度下均可以启动,但90°倾斜角时更有利于新型脉动热管的启动和稳定运行。90°倾斜角时,脉动热管在加热功率40W时启动,100W达到稳定运行状态,700W时到达传热极限,脉动热管的总热阻呈现先减小后增大的趋势,总热阻最小可达0.117℃/W。脉动热管在90°和50°倾斜角度下传热总热阻没有明显差异,但在0°倾斜角时,极易达到传热极限且在整个过程中热阻要比50°和90°倾斜角条件下高很多,加热功率180W达传热极限。     

汞-水混合工质脉动热管实验研究

在恒定加热功率条件下,考察了不同倾斜角时蒸发段壁面温度的脉动情况,发现了汞-水脉动热管微倾角起振的特性;在相同充液比下,对比了汞-水混合工质与纯水工质脉动热管在微倾角时的运行特性;对比了不同倾斜角下汞-水脉动热管的传热性能。实验结果表明：工质汞的掺入能够有效辅助脉动热管的微倾角起振,增加了脉动热管应用的灵活性。传热热阻随加热功率的增加而减小,而在高加热功率下,热阻大小基本不受倾斜角影响。实验中还发现汞-水脉动热管起振的临界热通量与热载荷施加的历史有关。     

倾角及冷却工况对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响

针对多通路并联回路板式脉动热管建立实验台,采用铜质模块加热和水浴冷却方式作为热工条件,着重考察脉动热管在不同倾角（90°,75°,60°）及冷却工况（4.5 g·s^-1和9.0 g·s^-1）下的传热性能,通过壁面温度的振荡和传热热阻来评价其传热效果。实验结果表明,重力对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响较大,随着倾角的减少,工质的回流变弱,传热热阻变大,传热极限变低;脉动热管的加热功率与冷却能力是相互匹配的,匹配度越高,脉动热管越不易干烧,传热极限越高,在有倾角的工况下提高传热极限表现得更为明显;脉动热管运行时存在一个最佳水流量,在最佳冷却工况下,脉动热管的运行热阻最低。     

液氮温区Ω形轴向槽道热管的启动特性与传热性能

基于空间深低温热传输需求设计了一套带有常温储气库的氮工质Ω形轴向槽道热管,并对其启动特性和传热性能进行实验研究,对比了槽道热管在不同充液率和放置角度下的传热性能。结果发现：热管在常温下启动迅速,绝热段及蒸发段在冷凝段降温至液氮温区后可以在短时间内降温,热管均温性良好。槽道热管能够在70~110K温度范围内高效传热,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小。热管的充液率为100%时其传热性能最优,过大或过小会使得热管传热性能下降。储气库结构可以减小热管工作温度变化对其充液率的影响,利于其在更大的温度范围内获得更好的传热性能。热管的放置形态对其传热性能有显著影响,不同的放置形态会影响热管的传热极限和传热热阻。当热源处于蒸发段管线下端时性能最优,最大传输功率为45W,热阻最低为0.31K/W。     

梯度润湿表面脉动热管传热性能的研究

为提高脉动热管水平方向的运行性能，本文通过控制化学刻蚀时间，制备出冷凝段到蒸发段接触角由83.8°至0°均匀变化的纳米草结构梯度润湿表面。并将此结构引入至6弯管板式脉动热管中，在不同充液率、加热功率以及运行方向下开展可视化和传热性能试验。试验结果表明，在竖直运行时，梯度润湿表面脉动热管相比于纯铜脉动热管展现出较好的传热性能。水平方向上，相较于纯铜脉动热管几乎完全烧干、无法启动的情况，梯度润湿表面由于附加的梯度润湿驱动力，促进了液体工质的回流，脉动热管成功启动。且汽液界面脉动振幅、脉动速度以及脉动热管的传热性能显著提高，充液率50%时热阻最多降低45%。     

氧化石墨烯/水脉动热管传热强化及性能预测

实验研究了氧化石墨烯（GO）纳米流体对脉动热管（PHP）传热性能的影响。结果表明：充液率、浓度及加热功率显著影响脉动热管的传热性能。在小充液率（FR=30%）时,PHP更多是在重力辅助热虹吸管以及脉动热管的共同作用下工作,热阻较低,但容易烧干;添加GO纳米颗粒可改善流体传热性能,降低PHP热阻,延缓烧干;尤其在质量分数0.05%~0.08%、加热功率10~50W时热阻可比纯水降低38.1%~74.1%;在质量分数0.08%~0.1%时,烧干极限Q_max可比纯水提高33%。在大充液率（FR=80%）时,气相空间受限,流体运动阻力较大,PHP整体运行性能较差。添加GO纳米不能明显改善PHP传热性能,在高浓度（质量分数0.1%）时还会恶化传热性能。综合考虑热阻及烧干极限,PHP在中等充液率（FR=50%）时整体运行性能最佳;且存在一个合适的工作范围（质量分数0.03%~0.08%,加热功率20~105W）,使PHP热阻比纯水下降18.9%~54.4%之间,强化作用明显。最后,在实验基础上,综合应用Ku、Pr、Ja、Bo、Mo等量纲为1数组合,拟合得到实验关联式预测GO/水PHP传热性能,适用于30%~80%充液率下,质量分数0~0.1%的GO/水纳米流体脉动热管。     

蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响

脉动热管是一种结构简单、传热性能突出的新型传热元件,由于运行过程涉及沸腾与冷凝及两相流动,传热及流动机理复杂,因此目前对其运行过程的相关数值模拟尚不成熟。本文采用VOF(volume of fluid)模型,考虑表面张力和壁面接触角的影响,采用数值模拟软件对单环路脉动热管的流动及传热特性进行了研究。数值模拟中,单环路脉动热管的充液率为40%～60%,热端加热功率为10～40W,探讨了热管蒸发段与冷凝段长度比对热管启动及换热性能的影响,并分析了脉动热管运行时流型特征。结果表明:随蒸发段和冷凝段长度比值增大,脉动热管启动时间缩短,且换热性能有一定提高;但在低充液率时,容易出现“干烧”现象。在低加热功率时,脉动热管的启动方式为温度突变式;而在高加热功率时,其启动方式为温度渐变式。此外,通过蒸发段的温度振荡特征可以确定脉动热管的启动时间。     

高功率平板热管传热性能的实验研究

为探究平板热管在高热通量和逆重力环境中的传热特性，设计并制作了一种具有泡沫金属结构的铜-水平板热管，系统地研究了不同放置方式、充液率和热功率对平板热管热响应特性和热阻的影响。实验结果表明：平板热管可实现快速启动，60 s内达到稳定，随着充液率增加，热管热阻先降低后升高，充液率为20%时性能最佳，放置方式对热管性能影响明显，顺重力性能最佳，在300 W时得到最小热阻为0.0109 K/W。相较于文献中的热管，此热管不仅获得了更低的热阻值，亦可实现更高热通量的有效导热。     

圆盘式环路热管的启动特性及温度波动

针对环路热管启动与温度波动问题,采用烧结法制备了镍材毛细芯体,研究了环路热管系统在不同热负荷下的启动特性,分析了不同热负荷和充灌率对温度波动的影响,同时分析了系统变负荷运行特性以及在不同热负荷、充灌率下系统热阻变化情况。研究结果表明,热管在5～25W加热功率下均可成功启动,功率越大启动越迅速;低负荷下热管的蒸发效率远远小于冷凝效率,加热功率在20W左右时蒸发效率与冷凝效率相等;较小负荷下启动均存在温度波动,热负荷至20W后温度波动现象消失;相同条件下大充灌率温度波动明显;热阻随着热负荷的增加而减小,负荷越小对热阻的影响越大;在低负荷下,充灌率对热阻的影响较大,反之较小;实验条件下,充灌率为60%时热阻最小,系统传热最好。     

甲醇-丙酮脉动热管温度振荡与传热特性研究

选取甲醇-丙酮混合物为工质,对小充液率(20%)、大充液率(60%)和不同混合体积比条件下脉动热管的温度振荡和传热特性进行了实验研究。由结果可知:在启动阶段,甲醇-丙酮体积比越小,启动时间越短;与大充液率相比,小充液率的启动时间短,且温度振幅较大。在稳定运行阶段,小充液率的热阻随着加热功率增大先减小然后略有增大,存在最小热阻,且随着体积比的减小,最小热阻对应的加热功率也减小;大充液率下的热阻随加热功率增大单调减小,最后逐渐趋于平缓,并且不同体积比热阻间的差值逐渐减小。     

多蒸发器低温回路热管的运行特性

回路热管（LHP）是柔性高效的两相流换热部件，通过工质的相变以及毛细芯的吸附作用实现高效传热。多蒸发器回路热管（MeLHP）是在其基础上通过多个蒸发器并联实现对多个热源的高效热收集与排散，适用于空间探测技术中多阵列红外探测器的制冷。本文试验样机采用包含三个蒸发器的多蒸发器回路热管结构，管路以气耦合方式并联，管线非对称布置，工作温区为170K，采用乙烷为相变换热工质。以单蒸发器回路热管的数据为参考，在不同的加热功率及加热方式下对多蒸发器回路热管进行运行特性的实验研究，并从补偿器工作特性出发研究其充液率对性能的影响。实验证明，该MeLHP样机运行过程中具有良好的热分享特性，负载热量在各蒸发器间互相分享，且该特性有方向性，与两相流的流动特性相关，表现为低流阻回路向高流阻回路分享为有效分享，反之会引起高流阻性能变差而容易失效，因而低流阻回路分配更多热负载，有利于热管运行；MeLHP的传热极限与单蒸发器回路热管相当，并且实验还验证了MeLHP补偿器的工作方式为单一补偿器工作，因而对MeLHP充装时应适当提高充液率，以获得与单回路热管一致的性能。该研究有助于多蒸发器回路热管运行规律的掌握，对实际应用的推动有促进作用。     

160—220 K温区槽道热管传热特性

为了研究160—220 K温区内槽道热管的传热特性,搭建槽道热管实验台,通过改变工作温度、加热功率、充液率以及倾斜角度,分析乙烷工质槽道热管等温性能和传热特性。实验结果发现：乙烷槽道热管在160—220 K温区下工作时,传热温差在2 K以内,充液率100%和顺重力倾斜角10°时热管工作性能最佳;随着工作温度的下降,工质的总压降增大,导致槽道热管的温差增大,等温性能下降;当倾斜角为40°时,热管温度出现波动现象,功率在10—50 W变化过程中,加热功率越大,热阻越小,最大热阻为0.22 K/W。通过合理分布热源位置和增大加热功率可降低槽道热管在不利工作角度下的传热热阻,提高热管传热性能。     

新型板式微流道热管运行特性实验分析

文章以树状仿生微流道结构作为蒸发器,设计一种无吸液芯结构的新型板式环路热管。通过实验的方法,研究了功率10 W热负荷时,不同充液率(30%—85%)、不同倾斜角度(0°—90°)下热管的运行特性、启动特性和热阻特性,结果表明:热管可正常运行并且充液率范围宽泛;通过不同充液率和角度的配合归结出4种运行现象(波动式稳定、保持式稳定、平台式非稳定、上升式非稳定);影响启动温度的主要因素为充液率,充液率越高,启动温度越高,热管启动越困难;热管在波动式稳定现象中的最佳充液率为30%,在保持式稳定现象中的最佳充液率为45%;影响热阻的主要因素为倾斜角度,其中最佳倾斜角度为60°,此时热管的启动温度和总热阻都最低。     

基于BP神经网络的不凝性气体对脉动热管传热影响的分析

不凝性气体的存在会影响脉动热管的传热性能。本文以去离子水和聚丙烯酰胺（PAM）溶液为工质，搭建了脉动热管半可视化传热性能实验系统，研究了不凝性气体的存在对脉动热管传热特性和运行特性的影响；通过建立BP神经网络模型，在不同不凝性气体压力条件下，对脉动热管传热热阻做出了回归预测，并进行了验证。结果表明：不凝性气体的存在会恶化脉动热管的传热性能。随着加热功率的增加，在不同不凝性气体分压力条件下的热阻呈现下降趋势。而随着不凝性气体分压力的增大，工质的蒸发段平均温度明显增大。通过BP神经网络可以对不同不凝气体分压力下脉动热管热阻作出可靠的回归预测，可为脉动热管运行状态的优劣提供判定思路。     

纳米修饰吸液芯超薄平板热管的传热特性

研制了一种总厚度为1.30 mm的新型超薄平板热管（UTFHP）,其内部吸液芯是多孔介质底层（PL）和多孔介质丝（PW）组成的多尺度复合结构。经过化学改性处理,吸液芯表面生成纳米结构,具有超亲水特性。对热管的热性能进行实验研究,分析纳米结构、充液比以及角度对热性能的影响。结果表明,充液比为25%时,与未改性的热管相比,改性热管的临界热通量（CHF）提高了255%、总热阻最大可降低43.2%;纳米结构降低了冷凝段热阻,但在小功率时增大了蒸发段热阻。在高充液比时,纳米结构抑制热管的传热性能。角度对热管的热性能影响较大,当蒸发段位于冷凝段的正下方时,热管的热性能最佳。未改性和改性的热管都具有良好的传热特性,最高功率分别为83.7和44.3 W。