亲水表面单环脉动热管的传热性能研究

为提高脉动热管的传热性能,基于VOF模型实现脉动热管内部工质的相变传热和流动过程,对单环脉动热管传热性能和运行状态进行数值模拟研究.设计了二维脉动热管,铜管内径为2 mm,蒸发段、冷凝段、绝热段分别为:12,48,12 mm.工质为水,在接触角为4.3°-82.5°,输入功率为3-9 W的条件下对脉动热管进行传热性能的...     

脉动热管技术研究进展

脉动热管作为一种新型热管技术,具有结构简单、成本低廉和传热性能好,适应性强的优点,尤其在微电子散热、冷冻技术以及航空航天热控技术中郝极具应用潜力.本文介绍了脉动热管的结构及其工作原理,在综述有关脉动热管实验、数值模拟、实际应用的基础上,指出其今后的研究方向是脉动热管的多样化、微小化、实用化.     

脉动热管可视化实验研究进展

脉动热管是一种结构简单、可用于微小空间、高热流密度条件下的传热元件。其优良的传热特性源于内部工质的蒸发、冷凝相变以及两相流动等热-水动力学特性。可视化实验是研究工质流动特性的常用方法,对于理解脉动热管的传热机理非常重要。本文介绍了5种可视化技术手段,简述了近二十年来脉动热管可视化实验观察到的气液相变和多种流型,分析了流型的影响因素,并总结了流动特性和传热性能之间的对应关系。指出目前可视化实验观察到的结果可以定性地解释一些传热现象,却难以定量地揭示脉动热管的传热规律。未来可以将可视化实验中测得的气液塞运动速度、液膜厚度和相分布等信息利用起来,考虑管壁材质的影响,建立更准确的气液两相流模型,用来设计、评估和预测脉动热管的性能。     

脉动热管强化传热及其应用研究进展

脉动热管作为一种新型热管技术,由于其结构简单、传热性能好以及环境适应性强等优点,在热管理、太阳能集热、余热回收等热传输领域都极具应用潜力。高热通量器件、热能的利用和回收等领域的快速发展,对传热装置的传热性能和工况适应性提出了更高的要求。为进一步强化内部两相流传热以及适应不同工况,结构多样的新型脉动热管应运而生。针对新结构脉动热管的研究进展,主要从强化传热性能的内部结构优化、适应不同应用需求的外部新结构及新结构脉动热管的应用研究三个方面进行总结。后续的研究应该在明晰运行机制的基础上,设计出通用性的新结构脉动热管。     

微槽道脉动热管的启动及传热特性

对竖直和水平放置情况下微槽道脉动热管(当量直径2.82mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4mm(1^#)、4.0mm(2^#)和4.8mm(3^#)的3个光管脉动热管进行了比较。实验工质为去离子水,充液率为50%。实验结果表明,竖直放置(底部加热)时,微槽道结构可以显著降低脉动热管的最小启动功率和启动温度,在约305W的加热功率下其热阻分别比1^#、2^#和3^#光管脉动热管下降41.7%、35.6%和30.9%,蒸发段壁面平均温度分别下降12.1、11.8和7.6℃;水平放置时,微槽道脉动热管在一定加热功率下能够正常启动,光管脉动热管难以有效运行。使用微槽道结构后,脉动热管显热和潜热传热能力的提高以及微槽道毛细作用利于冷凝液向蒸发段回流可认为是实现热管传热强化的主要原因。     

基于红外热成像的脉动热管运行及传热特性分析

基于红外热成像技术和高速可视化观测手段,得到了不同热负荷下脉动热管冷凝段表面的温度分布和管内工质的运行状态,分析了两者与热管传热性能间的内在联系。研究表明:随着热负荷的升高,工质准稳定运行状态依次呈现单管小幅脉动、管间大幅脉动和整管单向循环3种模式;冷凝段内主要出现泡状流和塞状流两种流型且离散气泡所占的份额逐渐减小;不同运行模式下工质能质输运强度的差异导致脉动热管冷凝段壁温分布各具特征;冷凝段表面的红外热图像可成为辨识管内工质运行状态和判断热管传热性能优劣的重要依据。     

脉动热管计算流体力学模型与研究进展

脉动热管利用工质的潜热和显热实现高效的热传递,过程中伴随气液塞强烈的往复振荡,流动与传热现象极其复杂。利用计算流体力学模拟可以获得管内气液界面形态、流型转换及振荡压降等重要信息。本文对公开发表的相关研究进行了综述,介绍各个模型的主要公式、数值模拟的求解方法、优势和现有的局限性,总结现有模拟研究开展的主要工作和结论。通过分析发现了目前存在的问题：相变模型中蒸发、冷凝系数的确定仍未有明确的理论依据;二维模型中管径的确定方法还未形成共识;将气-液-固三相流动的颗粒流体简化为均质流体。基于上述问题,本文提出了利用计算流体力学模拟脉动热管后续的研究方向。     

甲醇水溶液脉动热管启动特性研究

以体积分数为30%的甲醇水溶液、甲醇和水为工质,在不同加热功率、不同充液率和不同倾斜角工况下,对脉动热管的启动特性进行了实验研究。结果表明:混合工质脉动热管的启动方式和纯工质类似,甲醇水溶液平均温度处于水和甲醇二者稳定运行时的平均温度之间且更趋近于水;脉动热管的启动时间随着加热功率的增加而逐渐减小。在50%充液率工况下,甲醇水溶液的启动时间比甲醇长,比水短。而在大充液率(80%)和小充液率(20%),大加热功率下,甲醇水溶液的启动时间比甲醇短;脉动热管的启动时间随着倾斜角度的增加而减少,在相同倾斜角条件下,80%充液率的启动时间比20%充液率的启动时间长。     

脉动热管技术研究及应用进展

脉动热管由于具有结构简单、成本低廉、传热性能突出及环境适应性强的优点,已成为近年来热管技术领域的一个研究热点。本文在介绍脉动热管基本工作原理和结构特征的基础上,系统综述了其在可视化、传热特性实验和理论模拟分析等方面的研究现状,并就纳米流体脉动热管和微型脉动热管的研究进展作了一定报道,同时还总结了脉动热管在微电子冷却、余热回收、干燥、太阳能集热和制冷空调等方面的应用研究情况。最后,分析探讨了脉动热管研究中包括模型预测、设计优化、传热极限等在内的一些尚需解决的关键问题和今后的研究发展趋势。     

板式脉动热管的实验与应用研究进展

板式脉动热管具有结构简单、成本低、适应性好、传热性能极佳、易于微小型化等优点,因此作为微小设备冷却系统更具竞争力,也吸引了众多研究者的关注,但目前仍缺乏有效的设计准则指导工程应用。本文在介绍了脉动热管的工作原理及特点基础上,综述了近年来针对板式结构所开展的研究,以水力直径变化为主线总结了传热性能的研究,包括管内流型和振荡特征、主要参数的影响以及进一步提高传热性能的途径;回顾了有关启动特性的研究,涉及启动条件、启动过程时间与温度的关系及相关理论分析;介绍了目前传热极限发生机理的分析,同时简述了板式脉动热管应用方面的研究进展;最后指出了目前未能解决的关键问题,特别是为充分发挥板式结构微小型化的优势,对影响启动条件的参数研究至关重要。     

非共沸不互溶混合工质脉动热管启动特性分析

针对低加热功率下脉动热管难启动的问题,本文提出一种用于脉动热管相变传热的非共沸不互溶混合工质（HFE-7100和水）,其中低沸点工质潜热小、比热容低、密度大,高沸点工质潜热大、比热容高、密度低。选取水为高沸点工质, HFE-7100为低沸点工质,并将两者按照4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4比例混合,实验研究了不同混合比例工质在不同充灌率和不同加热功率下的启动特性。结果表明：相对于水,HFE-7100的低汽化潜热值和高(dp/dT)_sat值等特点能够加快蒸发段气泡的形成,加速脉动热管的启动;相对于纯工质脉动热管,非共沸不互溶混合工质相当于缩短了脉动热管的有效长度,加快系统启动;在低加热功率下,纯工质脉动热管无法启动,但混合工质脉动热管能够正常启动,且混合比例为2∶1、1∶1和1∶2时启动较快;在高加热功率下,混合比例2∶1启动最快。同时,对于非共沸不互溶混合工质脉动热管,充灌率为30%时启动效果最好。     

不同结构下两弯头脉动热管的数值模拟

脉动热管以其独特的换热优势,在电子器件的散热领域取得了卓越的成效。因此提出一种带有锯齿波纹段的两弯头新型脉动热管,并采用数值方法研究了波纹段的布置位置对脉动热管运行性能的影响。结果表明新结构脉动热管的传热性能和启动特性都优于传统结构的脉动热管。此外,当锯齿段布置在热管两端时,具有较短的启动时间,尤其位于冷凝段时锯齿型脉动热管具有更低的温差和最大的换热量。因此可以认为当波纹段位于冷凝段时,新结构脉动热管具有最优的运行特性。     

表面浸润程度对脉动热管传热性能的影响

为了深入理解表面浸润性对脉动热管传热性能的影响,利用碱性辅助表面氧化技术,通过控制氢氧化钠和过硫酸铵溶液与铜表面反应浓度的变化,制备了具有不同浸润程度表面的脉动热管,其表面接触角分别为0°、33.9°、55.7°、84.3°。通过实验研究了表面浸润程度对脉动热管传热性能的影响。结果显示,随着脉动热管内部浸润性的增强,其脉动频率及幅度增加,脉动热管热阻及温差降低,传热性能得到强化。     

脉动热管运行和传热特性的可视化实验研究

通过3种不同结构脉动热管的可视化实验,研究管内工质的运行机理与传热特性.另外,在流型和流向研究的基础上,对脉动热管进行结构改进,以实现工质稳定的单向循环流动.实验结果表明:在不同工作条件下,流型会出现寒状流、混合流和环状流,流向则会出现脉动流和循环流,流型和流向具有自适应传热量变化的特性;两种改进型脉动热管,一种设计成内径交错变化,一种设计成立体环型结构,具有更宽的循环流工作范围和更好的传热性能.     

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。     

异型热管余热回收特性研究

对于极端条件传热,异型热管具有独特优势。文中以RB211-535E4型发动机为例,针对航空发动机余热及吸热端和放热端的安装结构特点,设计出一种吸热段和放热段为圆弧状的、可安装在内外涵道间的异型热管,并按实际与仿真模型类比率1∶18,对异型热管模型蒸发段和冷凝段与绝热段连接处进行圆角半径分别为2.5,4,6 mm的结构优化。采用数值方法对比研究了异型热管与平直热管的运行特性。结果表明：异型热管的温度、多相流流型分布皆优于平直热管,且R为4 mm异型热管传热效果最优;启动性能上各型热管差别不大;传热性能上R为4 mm异型热管具有良好的等温性和最大的换热效率,换热效率相比平直热管提升近30%。因此可认为R为4 mm异型热管在此工况下具有最优的运行特性。将数值模拟结果与试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的可行性。     

颗粒团聚对稀相气固流动脉动关联项的影响

研究了颗粒团聚对描述稀相气固两相流的气固相宏观控制方程中待封闭气固脉动关联项的影响规律并建立关键待封闭项代数模型。根据气相速度脉动与固相浓度关联项(漂移速度)控制方程,将漂移速度表达为固相非均匀程度和气固平均滑移速度的代数模型。分别采用两种基于颗粒动理学的欧拉?欧拉框架介尺度方法模拟三维周期条件且固相平均浓度为1%的稀相气固两相流动,第1种方法假设固相速度分布函数f为各项同性的双流体方法(TFM);第2种方法假设f服从各向异性高斯分布的积分矩法(AG)。网格分辨率为颗粒直径dp的1.75倍,气固间动量交换采用Stokes曳力模型,并与文献中采用相同参数设置的欧拉?拉格朗日(E?L)方法模拟结果进行对比。结果表明,AG方法的准确度优于TFM方法,气固平均滑移速度、气固脉动能等更接近E?L方法模拟结果。颗粒聚团的积分尺度小于气相脉动速度的积分尺度,两者均呈各向异性,竖直分量高于水平分量。模拟得到了气固速度脉动关联系数和漂移速度系数。     

功能热流体强化脉动热管的热输送特性

考察了以水为工质,在不同的加热功率和不同的充液率情况下,脉动热管在不同加热方式（垂直底部加热和水平一侧加热）时的热输送特性。固定充液率,对比了脉动热管采用不同工质（微胶囊流体、氧化铝纳米流体、水）在不同加热功率、不同放置加热方式下的热输送特性。结果发现：功能热流体（微胶囊流体、氧化铝纳米流体）作为脉动热管的工质都起到强化热输送能力的作用,均优于水。垂直底部加热时,1%微胶囊流体作为工质的脉动热管的热输送能力较优,水平一侧加热时,0.1%氧化铝纳米流体较优,但微胶囊流体稳定性要比氧化铝纳米流体好。     

脉动热管及其传热特性影响因素研究进展

介绍了脉动热管的结构、特点、工作原理,分析了运行中的主要现象和管径、弯折数、工质物性、充液率、倾角范围和加热方式等影响其运行的主要参数。概括了脉动热管的国内外研究现状,指出理论模型研究和工业实践应用将会成为今后脉动热管研究的热点。     

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。