脉动热管强化传热的研究进展

介绍了脉动热管传热中存在的问题,归纳了目前国内外对脉动热管强化传热改进的几种方法,分析了目前热管结构改进对脉动热管传热性能的影响和其传热机理,概括了混合工质和在工质中添加表面活性剂、长链醇、纳米颗粒、磁性颗粒等方法对工质的物性改进的研究情况,并对脉动热管强化传热的进一步研究做了展望。     

戊醇/丙酮混合工质振荡热管传热性能研究

混合工质可为振荡热管带来独特的传热性能,文中将戊醇/丙酮混合溶液应用于振荡热管中,研究戊醇/丙酮混合工质振荡热管的传热性能,并与戊醇、丙酮纯工质振荡热管比较。分别对不同充液率(45%,55%,62%,70%)下,不同体积比(1∶2,1∶4,1∶7)的戊醇/丙酮混合工质振荡热管的传热特性进行了实验研究,结果表明:戊醇/丙酮混合工质振荡热管及戊醇纯工质振荡热管的热阻比较接近;在低、中充液率(45%与55%)下,戊醇/丙酮混合工质振荡热管以及戊醇纯工质振荡热管的抵御烧干能力比丙酮纯工质振荡热管要好;在高充液率(62%与70%)下,丙酮纯工质振荡热管的传热性能最优。     

水、丙酮混合工质振荡热管传热性能

采用水、丙酮以及其二元混合工质对振荡热管进行实验研究,选取35%~70%充液率,10~100 W加热功率以及水/丙酮13:1、4:1、1:1、1:4、1:13配比,将实验数据与混合工质物性、相变特点结合以研究其振荡热管传热性能。结果表明:混合溶液振荡热管启动所需功率小于水;小充液率时,除较低丙酮比例配比(如水/丙酮13:1混合工质)以外,混合工质比纯工质振荡热管不容易烧干,纯工质振荡热管在50 W时热阻就已经上升到较高数值,而混合工质振荡热管在同样的功率则维持着较低的热阻。在丙酮中加入少量水(如水/丙酮1:13混合工质)能有效改善振荡热管烧干情况,然而,少量丙酮与水混合而成的工质(如水/丙酮13:1混合工质)对振荡热管烧干情况的改善不明显;大充液率时,混合工质振荡热管的传热性能要弱于纯工质,在35~50 W,纯工质振荡热管热阻都低于混合工质,而在较大加热功率(50~100 W),水与混合工质振荡热管仍保持着较明显的热阻差。对混合工质振荡热管的传热性能的分析可为今后更深入研究其工作机理以及传热特性理论模型的建立提供参考。     

水、丙酮混合工质振荡热管传热性能

采用水、丙酮以及其二元混合工质对振荡热管进行实验研究,选取35%～70%充液率,10～100 W加热功率以及水/丙酮13：1、4：1、1：1、1：4、1：13配比,将实验数据与混合工质物性、相变特点结合以研究其振荡热管传热性能。结果表明：混合溶液振荡热管启动所需功率小于水;小充液率时,除较低丙酮比例配比（如水/丙酮13：1混合工质）以外,混合工质比纯工质振荡热管不容易烧干,纯工质振荡热管在50 W时热阻就已经上升到较高数值,而混合工质振荡热管在同样的功率则维持着较低的热阻。在丙酮中加入少量水（如水/丙酮1：13混合工质）能有效改善振荡热管烧干情况,然而,少量丙酮与水混合而成的工质（如水/丙酮13：1混合工质）对振荡热管烧干情况的改善不明显;大充液率时,混合工质振荡热管的传热性能要弱于纯工质,在35～50 W,纯工质振荡热管热阻都低于混合工质,而在较大加热功率（50～100 W）,水与混合工质振荡热管仍保持着较明显的热阻差。对混合工质振荡热管的传热性能的分析可为今后更深入研究其工作机理以及传热特性理论模型的建立提供参考。     

管板结构脉动热管冷却动力电池的传热特性

开发经济、高效和可靠的电动汽车电池冷却方案是其大规模商业化过程中需要解决的关键问题之一。本文提出并设计了一种对动力电池进行热管理的管板结构脉动热管装置，选用乙醇、水及两者二元混合物为工质，对不同加热功率、充液率和乙醇-水混合比下脉动热管的传热特性进行了实验研究。结果表明，使用乙醇-水混合工质的脉动热管表现出更好的启动和传热性能。在充液率为30%、加热功率为48W时，电池的平均温度可以控制为44℃；电池的表面平均温差可低至1.5℃，表现出较好的均温性。对乙醇-水二元混合工质强化脉动热管传热的机理分析表明，两者具有的互补热物性特征和热管内部混合工质浓度梯度引起的逆Marangoni流是改善脉动热管传热性能的主要原因。     

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。     

振荡热管传热性能与工质物性关系分析

选取去离子水、甲醇、乙醇和丙酮为工质,考察不同工质不同充液率的振荡热管运行特征,寻找影响振荡热管传热性能的物性因素。结果表明：在小功率时,传热性能受是否启动振荡及振荡流速支配,与动力黏度密切相关;随加热功率增大,振荡流速加快,不同工质振荡热管温度振荡频率和幅度差别渐小,动力黏度和液态比热容、汽化潜热共同影响振荡热管传热性能;在大功率时,振荡流速较快,充注汽化潜热、比热容大的工质振荡热管传热性能更具优势。振荡热管和物性的关联分析可为认识不同情况下振荡热管的传热机理和工作特性、建立振荡热管理论模型提供参考。     

单环路液氢温区脉动热管高充液率工况计算流体动力学（CFD）模拟

针对液氢温区单环路脉动热管建立了二维数值模型，分析了80%充液率条件下脉动热管不同阶段的流动及传热特性。在本研究中，流体体积函数（VOF）方法被用于追踪气液相界面，恒热通量和恒温分别作为蒸发段和冷凝段的边界条件，蒸发段的加热量逐渐从0.27W增加到1W。模拟的传热热阻与实验值的误差不超过15%，验证了模型的有效性。同时得到了脉动热管初始阶段的气液分布与压力分布，通过气体体积分数云图分析了启动阶段气塞的运动，结果显示在本研究中工质经过两次循环完成启动，根据工质流动方向的变化每次循环又可以分为三种流动方式。进入稳定阶段后，脉动热管内的工质主要呈顺时针循环流动，蒸发段的壁面温度呈周期性的振荡。在加热量较低时，温度振荡频率较低，传热热阻较大；随着加热量的增加，振荡频率增加并趋于稳定，热阻先减小而后不变。     

两组元乙醇基混合工质振荡热管的传热性能

通过实验研究乙醇中分别加入少量水、丙酮、甲醇,体积比分别为2：1、4：1,加热功率从10 W到100 W,充液率为45%、55%、62%、70%、90%时振荡热管的热阻特性,并与纯乙醇工质振荡热管相比较。结果表明,45%充液率时,乙醇中加入水可以改善烧干,混合工质较乙醇、水纯工质振荡热管热阻小;55%充液率时,乙醇-丙酮混合工质较乙醇、丙酮纯工质振荡热管热阻小;大充液率62%～90%时,两组元乙醇基混合工质振荡热管传热性能略不如各纯工质振荡热管。混合工质对振荡热管的影响主要与物性、分子间相互作用、溶液汽液相平衡及相变特性、传质阻力有关。     

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%。     

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。     

吸湿性盐溶液振荡热管的传热特性研究

研究了10%(质量分数)LiCl吸湿性盐溶液作为工质的振荡热管传热特性。测试了在45％～90％充液率、10～100 W加热功率下振荡热管蒸发端温度及热阻的变化，并与去离子水工质的实验数据进行了对比。结果表明：在45％、55％的低充液率下，加热功率达到50 W以上时，LiCl溶液振荡热管的热阻明显比去离子水振荡热管低，能有效延迟烧干现象的发生。在62%的中等充液率，35W加热功率以上，LiCl溶液振荡热管的蒸发端温度较离子水振荡热管振荡频率快，幅度小且热阻低。在80%、90%的高充液率下，两种工质振荡热管的蒸发端温度曲线在平均温度、振荡频率、振荡幅度上都较为相似，热阻也比较接近。     

振荡热管当量导热系数的理论推导与分析

把振荡热管模型简化为由管壳、液膜和振荡液塞3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;最后根据试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。     

甲醇、丙酮及其二元混合工质脉动热管的启动特性

以甲醇、丙酮以及二者体积比1：1混合组成的甲醇/丙酮混合液为工质,对脉动热管在不同加热功率和充液率下的启动特性进行了实验研究,结果表明：在低加热功率下时,甲醇/丙酮混合工质的启动时间比丙酮长,比甲醇短,适当增加启动功率可以明显缩短脉动热管的启动时间,但是对丙酮及混合工质的启动温升影响不大;在60W高加热功率下时,3种工质的启动方式均为温度突变型,其中混合工质的启动时间最短,并且增加启动功率可以明显地提高混合工质脉动热管的启动温升;充液率对脉动热管的启动方式影响较为明显,丙酮和混合工质的启动温升均随着充液率的增加而逐渐减少,在中低充液率（≤50%）下,二者属于温度突变型启动,而在80%高充液率下,其启动方式变为温度平稳过渡型启动。     

水/FC-72纳米乳液振荡热管传热特性研究

通过超声方法将水和FC-72乳化制备得到了不同体积浓度的水/FC-72纳米乳液,对以水/FC-72纳米乳液为工质的振荡热管开展了传热特性的实验研究。结果表明,使用纳米乳液后振荡热管冷热段温差明显下降,传热性能得到增强,且存在与充液率有关的最佳水相体积浓度,30%、50%和70%充液率下的浓度最佳值分别为11%、9%和9%。与使用纯FC-72时相比,充注最佳水相体积浓度纳米乳液的振荡热管在充液率为30%、50%和70%时冷热段温差最大可分别下降约3.3℃(或18.7%)、3.1℃(或13.7%)和4.3℃(或23.5%)。分析发现,纳米乳液的有效热导率和比热容均随着纳米水滴体积浓度的增加而明显增大,这可能是引起振荡热管传热能力增强的主要原因。     

平板脉动热管传热性能的实验研究

对一种具有双面三角形通道的平板脉动热管进行了实验研究,分析了工质、充液率、倾角等对传热性能的影响。结果表明,该热管具有优异的传热性能,最佳充液率为25%~30%,最佳工作角度为90°,在相同充液率和倾角下,当采用丙酮作为工质时,热管传热性能优于水工质。     

振荡热管的热阻变化规律及烧干特性

振荡热管作为高效传热元件,在解决微小空间而热通量较高的元器件散热方面具有独特的优势。虽然振荡热管结构简单,但其内部运行规律多变复杂,目前还处于探索研究阶段。通过对实验结果的分析,得到随加热功率和充液率改变振荡热管的热阻变化规律,探讨了不同工况所对应的传热机理;同时还对振荡热管的烧干特性进行了分析和研究。所做工作为建立振荡热管理论模型、认识其传热规律提供参考。