脈動熱管的傳熱流動特性的實驗與理論研究

發(fā)布時間：2020-11-10 03:01

　　脈動熱管作為一種新型熱管,以其結(jié)構(gòu)簡單,傳熱性能優(yōu)良,適應(yīng)環(huán)境范圍廣,無需外界能量供給等優(yōu)勢,成為解決現(xiàn)階段散熱問題的新途徑。但由于其在工作時內(nèi)部發(fā)生的極其復(fù)雜的汽液兩相流的流動、傳熱與傳質(zhì)行為及其內(nèi)在機(jī)理至今未能充分揭示,所以在其應(yīng)用中仍然存在一定的障礙。因此對脈動熱管的傳熱與流動特性的探究除了具有較高的工程價值,還對多相流、相變傳熱等問題的探究具有重要的科學(xué)意義。脈動熱管自上世紀(jì)90年代被發(fā)明以來,國內(nèi)外的科研工作者們已對其進(jìn)行了比較多的研究。但由于湍流模型、汽液兩相流模型、相變傳熱模型理論尚不完善,脈動熱管領(lǐng)域還有許多問題急需探索。為了了解脈動熱管的工作過程和機(jī)理,本文開展了對脈動熱管的實驗與理論研究。首先,為了可以對脈動熱管進(jìn)行實驗研究,本文基于大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,自行設(shè)計了一套脈動熱管實驗臺架,用于觀察脈動熱管的啟動與穩(wěn)定工作時的溫度特性、探究不同因素對脈動熱管傳熱性能的影響。基于本文的實驗裝置開展實驗一方面可以觀察到脈動熱管啟動時溫度突變、穩(wěn)定工作時溫度振蕩的現(xiàn)象;另一方面可以得到不同工況下的熱阻值和蒸發(fā)段溫度,了解不同因素對脈動熱管性能產(chǎn)生的影響并分析了原因。其次,本文開展了對四彎頭脈動熱管模型的數(shù)值模擬研究,利用Ansys Fluent軟件對所建立的模型進(jìn)行求解計算。成功的模擬了脈動熱管的初始化過程,觀察到了脈動熱管在工作階段時歷經(jīng)的三個階段,并對三個階段模擬出的現(xiàn)象與實際過程比對并加以分析。最后,基于“質(zhì)量-彈簧-阻尼”模型建立了脈動熱管內(nèi)兩汽塞-液塞模型,本文分析了脈動熱管在穩(wěn)定運(yùn)行過程中的振蕩機(jī)理和傳熱特性,并進(jìn)一步分析了管徑、熱管蒸發(fā)段溫度以及工質(zhì)熱物性等影響因素對脈動熱管工作性能的影響。本文完成了對脈動熱管的探究的基礎(chǔ)工作,從實驗與理論兩個方面對脈動熱管進(jìn)行研究,以加深對脈動熱管工作機(jī)理的理解,對已完成的工作的不足提出一些改進(jìn)方法,為后續(xù)的研究打下了物質(zhì)與理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TK172.4
【部分圖文】：

結(jié)構(gòu)圖,脈動熱管,結(jié)構(gòu)圖

（a）閉式回路型（b）開式開放回路型（c）開式封閉回路型（d）帶單向閥的閉式回路型圖 1-1 脈動熱管結(jié)構(gòu)圖1.2.2 脈動熱管的特點相較于傳統(tǒng)熱管，脈動熱管有以下特點[9,12]：(1)無毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，僅用細(xì)金屬管即可制成，獲取容易；(2)應(yīng)用場景較為靈活，結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，可勝任多種復(fù)雜的工況。近年來甚至出現(xiàn)了用絕熱橡膠充當(dāng)絕熱段的脈動熱管，靈活性進(jìn)一步增強(qiáng)；(3)無傳統(tǒng)熱管的毛細(xì)傳熱極限和輸運(yùn)傳熱極限；(4)工質(zhì)在管內(nèi)高速振蕩或定向流動的同時發(fā)生相變傳熱，傳熱效率高。因此脈動熱管具有傳統(tǒng)熱管所不具備的優(yōu)點，將在微型電子芯片散熱、電動汽車電池組熱管理、空間等領(lǐng)域有不錯的發(fā)展前景。1.3 脈動熱管國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

脈動熱管,管徑,傳熱性能

圖 1-2 Tong 等人所做實驗結(jié)果[13]3.1.2 脈動熱管傳熱性能實驗研究脈動熱管的傳熱性能受多種不同因素的影響，包括：管徑、管截面形狀、蒸發(fā)段和凝段的長度、彎頭數(shù)、工質(zhì)的物性參數(shù)（表面張力、相變潛熱、黏度等）、充液率、熱荷、傾斜角等。研究人員已經(jīng)針對以上因素做了大量的實驗以探究其對脈動熱管傳熱能的影響。1、管徑管徑對脈動熱管的傳熱性能有著至關(guān)重要的影響。Yang 等人[21]比較了管徑為 1mm 2mm 的脈動熱管的傳熱性能結(jié)果發(fā)現(xiàn)管徑為 1mm 的要比 2mm 的傳熱性能強(qiáng) 10%左。Charoensawan 等人[22]發(fā)現(xiàn)，每個蒸發(fā)溫度下，脈動熱管的熱阻隨著管徑的增加而減，他們推測這是由于較小的管徑會引入較大的粘滯阻力造成的。Saha 等人[23]利用兩個

脈動熱管,電子芯片,模擬仿真,翼型