工程科学学报，第41卷，第9期：1115-1126,2019年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.9:1115-1126,September 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.002;http://journals.ustb.edu.cn 脉动热管的理论研究与应用新进展 厉青峰123)，王亚楠23)区，何鑫123》，练晨123)，李华123) 1)山东大学机械工程学院，济南2500612)山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南250061 3)山东大学机械工程国家级实验教学示范中心，济南250061 区通信作者，E-mail:wyn@sdu.cu.cn 摘要作为一种工作机理独特的新型传热装置，脉动热管具有极高的传热效率、较高的抗烧干能力、良好的环境适应性，且 结构简单、可变，成本较低，具有很高的实际应用价值，是目前传热技术领域的研究热点.本文在对脉动热管的优点、结构形式 和工作原理进行总体介绍的基础上，首先从理论建模研究入手归纳了目前研究中通常采用的直管、单弯头管、部分单弯头管 等结构模型和质量-弹簧-阻尼模型，质量、动量、能量方程模型以及其他数学模型，然后从实验可视化研究和计算可视化研究 两方面综述了脉动热管的运行过程、工作机理以及近年来国内外在脉动热管方面的最新研究进展，从启动性能、传热性能和 传热极限三方面系统介绍了管径、长度，截面形状、加热方式、充液率、倾斜角度、输入功率和工作流体种类等不同设计和使用 参数对脉动热管性能的影响.进一步从设计与应用方面，对脉动热管在电子设备、太阳能集热、动力装置热管理和低温环境换 热等方面的研究进行了综述，展示了脉动热管在实际应用中的效果和优势.最后对今后的研究方向与发展趋势进行了展望， 指出可通过更详细的理论和仿真建模研究脉动热管的工作机理、工作性能、工作过程和优化设计方法. 关键词脉动热管：理论建模：可视化分析：启动性能：传热性能：传热极限 分类号TK124 New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe LI Qing-feng23),WANG Ya-nan'2)HE Xin'2),LIAN Chen'2)LI Hua 2.3) 1)School of Mechanical Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China 2)Key Laboratory of High-Efficiency and Clean Mechanical Manufacture of Ministry of Education,Shandong University,Jinan 250061,China 3)National Demonstration Center for Experimental Mechanical Engineering Education,Shandong University,Jinan 250061,China Corresponding author,E-mail:wyn@sdu.edu.cn ABSTRACT As a new type of heat transfer device with a unique working mechanism,the pulsating heat pipe (PHP)has high heat transfer efficiency,high resistance capability to drying out,and good environmental adaptability.Its structure is simple and variable, and the cost is low.Thus,the pulsating heat pipe has a good value for practical application and is currently a research hotspot in the field of heat transfer technology.On the basis of the introduction of the general advantages,structure types,and working principle of the pulsating heat pipe,this study first summarized the structure models,such as the straight tube,single elbow tube,and partially single elbow tube,and the theoretical models,such as the mass-spring-damping model,mass-momentum-energy equation model, and other mathematical models,commonly used in the current theoretical modeling research.Then,the operational process,working mechanism,and latest research progress in pulsating heat pipes at home and abroad were reviewed from the aspects of experimental and computational visualization research.The influence of different design and use parameters,such as pipe diameter and length,shape of the section,heating method,filling rate,angle of inclination,input power,and type of working fluid,on the start-up performance, heat transfer performance,and heat transfer limit of the pulsating heat pipe was systematically introduced.Furthermore,from the de- sign and application perspectives,the research on pulsating heat pipes applied in electronic equipment,solar energy collection,thermal 收稿日期：2018-06-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51405269)：山东省自然科学基金资助项目(ZR2016EFM31,BS2014ZZ003)
工程科学学报,第 41 卷,第 9 期:1115鄄鄄1126,2019 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 9: 1115鄄鄄1126, September 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 09. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 脉动热管的理论研究与应用新进展 厉青峰1,2,3) , 王亚楠1,2,3) 苣 , 何 鑫1,2,3) , 练 晨1,2,3) , 李 华1,2,3) 1) 山东大学机械工程学院, 济南 250061 2) 山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室, 济南 250061 3) 山东大学机械工程国家级实验教学示范中心, 济南 250061 苣通信作者, E鄄mail: wyn@ sdu. edu. cn 摘 要 作为一种工作机理独特的新型传热装置,脉动热管具有极高的传热效率、较高的抗烧干能力、良好的环境适应性,且 结构简单、可变,成本较低,具有很高的实际应用价值,是目前传热技术领域的研究热点. 本文在对脉动热管的优点、结构形式 和工作原理进行总体介绍的基础上,首先从理论建模研究入手归纳了目前研究中通常采用的直管、单弯头管、部分单弯头管 等结构模型和质量鄄鄄弹簧鄄鄄阻尼模型,质量、动量、能量方程模型以及其他数学模型,然后从实验可视化研究和计算可视化研究 两方面综述了脉动热管的运行过程、工作机理以及近年来国内外在脉动热管方面的最新研究进展,从启动性能、传热性能和 传热极限三方面系统介绍了管径、长度、截面形状、加热方式、充液率、倾斜角度、输入功率和工作流体种类等不同设计和使用 参数对脉动热管性能的影响. 进一步从设计与应用方面,对脉动热管在电子设备、太阳能集热、动力装置热管理和低温环境换 热等方面的研究进行了综述,展示了脉动热管在实际应用中的效果和优势. 最后对今后的研究方向与发展趋势进行了展望, 指出可通过更详细的理论和仿真建模研究脉动热管的工作机理、工作性能、工作过程和优化设计方法. 关键词 脉动热管; 理论建模; 可视化分析; 启动性能; 传热性能; 传热极限 分类号 TK124 收稿日期: 2018鄄鄄06鄄鄄27 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51405269);山东省自然科学基金资助项目(ZR2016EEM31, BS2014ZZ003) New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe LI Qing鄄feng 1,2,3) , WANG Ya鄄nan 1,2,3) 苣 , HE Xin 1,2,3) , LIAN Chen 1,2,3) , LI Hua 1,2,3) 1) School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China 2) Key Laboratory of High鄄Efficiency and Clean Mechanical Manufacture of Ministry of Education, Shandong University, Jinan 250061, China 3) National Demonstration Center for Experimental Mechanical Engineering Education, Shandong University, Jinan 250061, China 苣Corresponding author, E鄄mail: wyn@ sdu. edu. cn ABSTRACT As a new type of heat transfer device with a unique working mechanism, the pulsating heat pipe (PHP) has high heat transfer efficiency, high resistance capability to drying out, and good environmental adaptability. Its structure is simple and variable, and the cost is low. Thus, the pulsating heat pipe has a good value for practical application and is currently a research hotspot in the field of heat transfer technology. On the basis of the introduction of the general advantages, structure types, and working principle of the pulsating heat pipe, this study first summarized the structure models, such as the straight tube, single elbow tube, and partially single elbow tube, and the theoretical models, such as the mass鄄鄄spring鄄鄄 damping model, mass鄄鄄 momentum鄄鄄 energy equation model, and other mathematical models, commonly used in the current theoretical modeling research. Then, the operational process, working mechanism, and latest research progress in pulsating heat pipes at home and abroad were reviewed from the aspects of experimental and computational visualization research. The influence of different design and use parameters, such as pipe diameter and length, shape of the section, heating method, filling rate, angle of inclination, input power, and type of working fluid, on the start鄄up performance, heat transfer performance, and heat transfer limit of the pulsating heat pipe was systematically introduced. Furthermore, from the de鄄 sign and application perspectives, the research on pulsating heat pipes applied in electronic equipment, solar energy collection, thermal
·1116: 工程科学学报.第41卷，第9期 management of power unit,and heat exchange in low-temperature environment was reviewed,and the effects and advantages of pulsa- ting heat pipes in practical application were demonstrated.Finally,the future research directions and development trends were forecas- ted.It is pointed out that the working mechanism,working performance,working process,and optimization design method of pulsating heat pipes can be investigated through a more detailed theoretical and simulation modeling. KEY WORDS pulsating heat pipe;theoretical modeling;visualization analysis;start-up performance;heat transfer performance; heat transfer limit 随着电子半导体技术的进步，小型化和集成化 脉动热管的工作原理为：将一段长毛细管道弯 的发展趋势使电子设备单位面积的耗电量和发热量 曲后分别穿过高温端和低温端形成蒸发段和冷凝 大幅度增加，迫切需要加强高热导率传递装置的研 段，其余部分为绝热段.工作前将管内气体抽离至 究与应用).为了适应高热负荷、小空间和低成本 负压状态，然后充入工作流体，在表面张力的作用下 的工作和生产要求，发展高效率、被动式的冷却系统 形成在管内随机分布的液塞和气塞：工作时，由于蒸 是目前研究关注的热点[].而脉动热管是一种新型 发段吸收热量，冷凝段释放热量，导致液塞与气塞的 的传热装置，自从20世纪90年代被发明以来[)，由 膨胀、压缩和相互转化，并形成液塞振荡运动的驱动 于其独特的工作原理和优秀的传热性能受到研究者 力，将热量不断从蒸发段传导至冷凝段.工作过程 的广泛关注[4) 中涉及到液膜的蒸发和冷凝、工作流体同管壁接触 与传统热管相比，脉动热管有许多突出的优点： 角的动态变化、气泡的生长和结合以及核态沸腾等 (1)极高的传热效率.传统热管的传热效率通 现象.虽然脉动热管结构简单，但是管内热量和质 常为60%~70%，而脉动热管的最高传热效率可达 量传递过程中涉及的流体动力学与热力学的耦合使 909%[s1: 其工作机理非常复杂，很难通过单一的研究方法完 (2)较高的抗烧干能力.脉动热管的烧干现象 整揭示[8-] 通常先在单个或几个蒸发管段出现，然后再逐渐扩 正是由于脉动热管的上述特点，其工作机理和 散到整个蒸发段，因此具有延缓烧干的作用6； 传热性能一直都是研究者关注的重点.近年来有关 (3)良好的适应性.当热负荷的功率改变时，脉 脉动热管的研究进展可以大致分为理论建模研究、 动热管的工作模式也会发生变化.在一定的范围 可视化分析研究、性能影响因素研究和设计与应用 内，热负荷越大，循环流动性能越好，传热效率越高： 研究等几方面 (4)结构简单、可变，成本较低.脉动热管通常 为长毛细管状，可按工作环境需求弯曲成多种形状； 1理论建模研究 小内径（通常为0.5~3mm)和无管芯的结构有助于 按照结构形式，脉动热管可分为开放回路式、闭 降低制造成本] 合回路式和带单向阀的闭合回路式几种（图1）.脉 总的来说，脉动热管的传热效率高、环境适应能 动热管的理论建模研究主要集中在工作过程的理论 力强、占用空间小，结构简单、成本低廉且无污染，具 建模以及内部动力学特性和传热过程的分析方面. 有很高的实际应用价值 为了简化建模过程，通常仅研究单弯头管或部分单 图1脉动热管的结构形式[8].(a)开放回路式：(b)闭合回路式：()带单向阀的闭合回路式 Fig.1 Structures of pulsating heat pipes[s](a)open loop structure;(b)closed loop structure:(e)closed loop structure with check valve
工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 management of power unit, and heat exchange in low鄄temperature environment was reviewed, and the effects and advantages of pulsa鄄 ting heat pipes in practical application were demonstrated. Finally, the future research directions and development trends were forecas鄄 ted. It is pointed out that the working mechanism, working performance, working process, and optimization design method of pulsating heat pipes can be investigated through a more detailed theoretical and simulation modeling. KEY WORDS pulsating heat pipe; theoretical modeling; visualization analysis; start鄄up performance; heat transfer performance; heat transfer limit 随着电子半导体技术的进步,小型化和集成化 的发展趋势使电子设备单位面积的耗电量和发热量 大幅度增加,迫切需要加强高热导率传递装置的研 究与应用[1] . 为了适应高热负荷、小空间和低成本 的工作和生产要求,发展高效率、被动式的冷却系统 是目前研究关注的热点[2] . 而脉动热管是一种新型 的传热装置,自从 20 世纪 90 年代被发明以来[3] ,由 于其独特的工作原理和优秀的传热性能受到研究者 的广泛关注[4] . 与传统热管相比,脉动热管有许多突出的优点: (1) 极高的传热效率. 传统热管的传热效率通 常为 60% ~ 70% ,而脉动热管的最高传热效率可达 90% [5] ; 图 1 脉动热管的结构形式[8] . (a) 开放回路式;(b)闭合回路式;(c)带单向阀的闭合回路式 Fig. 1 Structures of pulsating heat pipes [8] : (a) open loop structure; (b) closed loop structure; (c) closed loop structure with check valve (2)较高的抗烧干能力. 脉动热管的烧干现象 通常先在单个或几个蒸发管段出现,然后再逐渐扩 散到整个蒸发段,因此具有延缓烧干的作用[6] ; (3)良好的适应性. 当热负荷的功率改变时,脉 动热管的工作模式也会发生变化. 在一定的范围 内,热负荷越大,循环流动性能越好,传热效率越高; (4)结构简单、可变,成本较低. 脉动热管通常 为长毛细管状,可按工作环境需求弯曲成多种形状; 小内径(通常为 0郾 5 ~ 3 mm)和无管芯的结构有助于 降低制造成本[7] . 总的来说,脉动热管的传热效率高、环境适应能 力强、占用空间小,结构简单、成本低廉且无污染,具 有很高的实际应用价值. 脉动热管的工作原理为:将一段长毛细管道弯 曲后分别穿过高温端和低温端形成蒸发段和冷凝 段,其余部分为绝热段. 工作前将管内气体抽离至 负压状态,然后充入工作流体,在表面张力的作用下 形成在管内随机分布的液塞和气塞;工作时,由于蒸 发段吸收热量,冷凝段释放热量,导致液塞与气塞的 膨胀、压缩和相互转化,并形成液塞振荡运动的驱动 力,将热量不断从蒸发段传导至冷凝段. 工作过程 中涉及到液膜的蒸发和冷凝、工作流体同管壁接触 角的动态变化、气泡的生长和结合以及核态沸腾等 现象. 虽然脉动热管结构简单,但是管内热量和质 量传递过程中涉及的流体动力学与热力学的耦合使 其工作机理非常复杂,很难通过单一的研究方法完 整揭示[8鄄鄄9] . 正是由于脉动热管的上述特点,其工作机理和 传热性能一直都是研究者关注的重点. 近年来有关 脉动热管的研究进展可以大致分为理论建模研究、 可视化分析研究、性能影响因素研究和设计与应用 研究等几方面. 1 理论建模研究 按照结构形式,脉动热管可分为开放回路式、闭 合回路式和带单向阀的闭合回路式几种(图 1). 脉 动热管的理论建模研究主要集中在工作过程的理论 建模以及内部动力学特性和传热过程的分析方面. 为了简化建模过程,通常仅研究单弯头管或部分单 ·1116·
厉青峰等：脉动热管的理论研究与应用新进展 .1117· 弯头管，有时还简化为直管.所采用的理论模型主 0= 要有质量-弹簧-阻尼模型，质量、动量、能量方程模 2s(cos az -cos a)+r[(pL-py)g(s2-51)cos B-RPvoAT]VhLv 型以及其他模型等. RTor Cheng与Mauo]将脉动热管简化为直管，假定管 (1) 内为一维流动，气、液塞相间分布在管道中，通过理 式中：6为气液界面的表面张力，N;α为液塞与管壁 想气体状态方程和热力学第一定律建立了气塞的能 接触角，rad:r为管内半径，m;p为密度，kgm3;g 量守恒方程和液塞的动量方程，汇总后得到液塞和 为重力加速度，m·s2;s为高度，m;B为倾斜角度， 气塞的质量-弹簧-阻尼模型.通过推导得到液塞的 rad:R为气体常数：△T为蒸发段与冷凝段的温度 运行速度由蒸发段与冷凝段的温差决定，而固有振 差，K;V为体积，m3:hy为液相向气相转变时的相变 动频率随着液塞和气塞在管内的分布状态发生变 潜热，J·kg;t为加热时间，s.下标L、V分别表示 化.Gursel等)在质量-弹簧-阻尼模型中进一步 液塞和气塞，0表示参考值，1、2分别表示液塞左端 考虑了表面张力的影响，并通过实验对模型进行了 和右端. 验证 综上所述，目前所建立的理论模型可以从一定 Kim等2将脉动热管简化为U型管道，管道上 程度上解释脉动热管的工作机理并分析某些因素对 部为冷凝段，下部为蒸发段，气相位于管道的两端 性能的影响规律，但各种理论模型均对脉动热管的 (图2).通过牛顿第二定律建立液塞的动量方程以 结构、管内工质的状态和运行过程进行了一定的简 及气塞的能量和质量变化方程.通过计算发现，初 化和假设，很难对脉动热管的实际运行过程进行精 始状态时的工质分布和重力都是影响液塞振荡频 确完整的描述 率的重要因素.Dilawar与Pattamatta)在此基础 2可视化分析研究 上运用显示差分格式求解质量、动量和能量方程， 计算发现表面张力对工作流体的初始分布具有显 脉动热管的运行机理较为复杂，仅通过理论建 著影响. 模的方法难以完整揭示，而可视化分析可以定性观 察脉动热管的启动和运行过程，是理论建模研究的 塞1 气塞2 有益补充.根据研究手段的不同，这方面的研究又 可分为实验可视化研究和计算可视化研究两方面. 蒸发段 实验可视化研究是通过在玻璃管内充人工作流体的 方式直接观察管内介质的运行现象和规律：而计算 可视化研究则是借助仿真分析软件，根据结构参数 冷凝段 建立模型，模拟脉动热管的运行过程.早期的可视 化研究主要以实验为主，随着计算流体力学，尤其是 多相流理论和流体体积(VOF)方法的发展以及计 算机处理能力的提高，计算可视化研究受到了越来 图2简化为U型管的脉动热管模型2)] 越多的关注. Fig.2 Simplified pulsating heat pipe model of U-tube( 2.1实验可视化研究 i等[]假设单弯头脉动热管内部只有一个液 当脉动热管内刚充入工作液体时，在表面张力 塞和气塞，通过相变吸热方程和理想气体状态方程 的作用下，大部分液体以长液柱的形式沉在管道底 推导得到了如式(1)所示的脉动热管启动需要吸收 部，少部分分离成气塞和液塞，相间分布在管内6 的热量Q.通过式(1)可以发现，随着充液率的提 分离的液塞与管壁间形成接触角，气塞与管壁间生 高，启动所需的热量逐渐上升但存在极值：而倾斜角 成液膜]，如图3所示 度对启动热量的影响正好相反.Chiang等[s)建立 随着加热功率的增加，当蒸发段的温度达到相 了多弯头脉动热管的液塞-气塞动力学模型，研究 变点时，液体会吸热蒸发产生气泡，不断生长和结合 了脉动热管中液塞的位置随时间的变化情况.通过 的气泡受到管道截面的空间限制向两侧膨胀将长液 分析发现，当弯头数较少、充液率较低、工作温度较 柱截断，从而形成新的气塞和液塞1].由于液塞下 高、蒸发段与冷凝段的温差较大时，液塞具有更强的 部的气塞不断有气泡汇入使其压力增加，从而在液 振荡动力. 塞两端的气塞间产生压力差，推动液塞向冷凝段移
厉青峰等: 脉动热管的理论研究与应用新进展 弯头管,有时还简化为直管. 所采用的理论模型主 要有质量鄄鄄弹簧鄄鄄阻尼模型,质量、动量、能量方程模 型以及其他模型等. Cheng 与 Ma [10]将脉动热管简化为直管,假定管 内为一维流动,气、液塞相间分布在管道中,通过理 想气体状态方程和热力学第一定律建立了气塞的能 量守恒方程和液塞的动量方程,汇总后得到液塞和 气塞的质量鄄鄄弹簧鄄鄄阻尼模型. 通过推导得到液塞的 运行速度由蒸发段与冷凝段的温差决定,而固有振 动频率随着液塞和气塞在管内的分布状态发生变 化. G俟rsel 等[11] 在质量鄄鄄 弹簧鄄鄄 阻尼模型中进一步 考虑了表面张力的影响,并通过实验对模型进行了 验证. Kim 等[12]将脉动热管简化为 U 型管道,管道上 部为冷凝段,下部为蒸发段,气相位于管道的两端 (图 2). 通过牛顿第二定律建立液塞的动量方程以 及气塞的能量和质量变化方程. 通过计算发现,初 始状态时的工质分布和重力都是影响液塞振荡频 率的重要因素. Dilawar 与 Pattamatta [13] 在此基础 上运用显示差分格式求解质量、动量和能量方程, 计算发现表面张力对工作流体的初始分布具有显 著影响. 图 2 简化为 U 型管的脉动热管模型[12] Fig. 2 Simplified pulsating heat pipe model of U鄄tube [12] Li 等[14]假设单弯头脉动热管内部只有一个液 塞和气塞,通过相变吸热方程和理想气体状态方程 推导得到了如式(1)所示的脉动热管启动需要吸收 的热量 Q. 通过式(1) 可以发现,随着充液率的提 高,启动所需的热量逐渐上升但存在极值;而倾斜角 度对启动热量的影响正好相反. Chiang 等[15] 建立 了多弯头脉动热管的液塞鄄鄄 气塞动力学模型,研究 了脉动热管中液塞的位置随时间的变化情况. 通过 分析发现,当弯头数较少、充液率较低、工作温度较 高、蒸发段与冷凝段的温差较大时,液塞具有更强的 振荡动力. Q = {2着(cos 琢2 - cos 琢1 ) + r[(籽L - 籽V)g(s2 - s1 )cos 茁 - R籽V0驻T]}VVhLV RT0 rt (1) 式中:着 为气液界面的表面张力,N;琢 为液塞与管壁 接触角,rad;r 为管内半径,m;籽 为密度,kg·m - 3 ;g 为重力加速度,m·s - 2 ;s 为高度,m;茁 为倾斜角度, rad;R 为气体常数;驻T 为蒸发段与冷凝段的温度 差,K;V 为体积,m 3 ;hLV为液相向气相转变时的相变 潜热,J·kg - 1 ;t 为加热时间,s. 下标 L、V 分别表示 液塞和气塞,0 表示参考值,1、2 分别表示液塞左端 和右端. 综上所述,目前所建立的理论模型可以从一定 程度上解释脉动热管的工作机理并分析某些因素对 性能的影响规律,但各种理论模型均对脉动热管的 结构、管内工质的状态和运行过程进行了一定的简 化和假设,很难对脉动热管的实际运行过程进行精 确完整的描述. 2 可视化分析研究 脉动热管的运行机理较为复杂,仅通过理论建 模的方法难以完整揭示,而可视化分析可以定性观 察脉动热管的启动和运行过程,是理论建模研究的 有益补充. 根据研究手段的不同,这方面的研究又 可分为实验可视化研究和计算可视化研究两方面. 实验可视化研究是通过在玻璃管内充入工作流体的 方式直接观察管内介质的运行现象和规律;而计算 可视化研究则是借助仿真分析软件,根据结构参数 建立模型,模拟脉动热管的运行过程. 早期的可视 化研究主要以实验为主,随着计算流体力学,尤其是 多相流理论和流体体积(VOF) 方法的发展以及计 算机处理能力的提高,计算可视化研究受到了越来 越多的关注. 2郾 1 实验可视化研究 当脉动热管内刚充入工作液体时,在表面张力 的作用下,大部分液体以长液柱的形式沉在管道底 部,少部分分离成气塞和液塞,相间分布在管内[16] . 分离的液塞与管壁间形成接触角,气塞与管壁间生 成液膜[17] ,如图 3 所示. 随着加热功率的增加,当蒸发段的温度达到相 变点时,液体会吸热蒸发产生气泡,不断生长和结合 的气泡受到管道截面的空间限制向两侧膨胀将长液 柱截断,从而形成新的气塞和液塞[18] . 由于液塞下 部的气塞不断有气泡汇入使其压力增加,从而在液 塞两端的气塞间产生压力差,推动液塞向冷凝段移 ·1117·
·1118. 工程科学学报，第41卷，第9期 在形式分为塞状流、半环状流、环状流和烧干等几 类[2】.在上述过程中，液塞由于蒸发作用会越来越 小，而液塞两端的气塞逐渐融合在一起形成长短不 0接触角 一的气塞，最终管内融合为一个气塞，气塞与管壁之 间通过液膜传热；工质运动状态的转移过程可以分 气塞 为：未振荡状态一间歇振荡状态一持续振荡单向循 环状态一循环流动状态一烧干状态 工质运动状态的转变会使脉动热管表面的温度 液膜 呈现出不同的变化规律，从而使管壁温度成为辨识 图3接触角和液膜 脉动热管内工质运动状态的重要依据[]，通过管壁 Fig.3 Contact angle and liquid film 的温度可以定性的分析管内的流动状态和潜在的热 行为[2].同时在工质形式和运动状态的转变过程 动[19].工质移动过程中与管壁换热使气塞的内部 中，也会出现一些特定的现象，如蒸发段的核态沸 压力下降，造成运动速度下降：然后又通过吸收蒸发 腾[25]和气塞间的液桥[26]等 段传来的热量，为下次运动积攒能量，从而导致管内 2.2计算可视化研究 的液塞上、下往复移动，工质处于振荡状态（图4中 计算可视化研究是基于计算流体力学中的两相 液塞随着时间的增加从位置A运动到位置B又运 流理论和VOF(volume of fluid)方法进行的.VOF 动到位置C)[].脉动热管为循环管路，每个平行 方法将流体分为多个分析域并在各分析域上定义 管道内的液塞都被推向冷凝段并相互挤压：由于各 气、液两相的体积分数入，各分析域的密度P、导热系 个管段的受热和散热情况不完全一致，这种相互挤 数k与动力黏度μ可以通过如式(2)中所示的单纯 压的状态最终被打破，形成工质在管内持续振荡的 气相和液相的密度、单纯气相和液相的导热系数、单 单向循环流动状态 纯气相和液相的动力黏度分别与体积分数的乘积得 流动方向 到.将以上参数代入控制方程并求解，可以得到气、 位置A 液两相的体积分数随时间变化的函数，并根据该函 数跟踪气、液界面的移动情况和气、液两相工作参数 的变化情况27) P=APL +Avpy 位置B k=入k+入vkv (2) w=入L+入v 通过仿真计算能够更加清楚的观察到脉动热管 在整个运行周期内管内工质存在形式的变化，如气 位置C 泡的生长、结合以及气塞的断裂过程.Pouryoussefi 4 流动方向 与Zhang'2-30通过建立脉动热管的三维计算流体动 图4工质在管内的振荡运动[20] 力学(CFD)模型仿真计算了管内工质在一定的加热 Fig.4 Oscillatory motion of the working medium in the tube(20] 功率下，工作状态从启动到稳定运行过程中的变化 随着功率的进一步增加，运动所需的能量能够 情况，如图5所示.随着时间的增加，气泡首先在蒸 更快速的补充，液塞的振荡状态逐渐消失，工质处于 发段出现，并最终形成循环的塞状流模式.在整个 循环流动状态.当功率到达一定值时，气泡在蒸发 过程中，蒸发段的气泡逐渐生长、结合，而冷凝段 段急速生成，造成蒸发段与冷凝段的压力差变大，冷 的气塞则发生了断裂.Wang等[3]也在仿真计算 凝介质不能及时返回蒸发段，导致蒸发段完全被气 中观察到了气塞的产生和合并过程.如图6所示， 体占据，工质以塞状流（靠近冷凝段）和环状流（靠 在A气泡附近首先出现了核态沸腾现象，气泡沿 近蒸发段)并存的半环状流形式存在：随着加热功 着运动方向逐渐生长、汇集成气塞B,然后形成更 率的增加，塞状流和环状流的平衡位置逐渐向冷凝 大的气塞C. 段移动，最终导致环状流占据整个脉动热管，即工质 通过参数化建模和导入用户自定义函数可以方 烧干2].因此文献中一般将脉动热管中工质的存 便的改变结构参数和工质的物性参数，从而分析这
工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 图 3 接触角和液膜 Fig. 3 Contact angle and liquid film 动[19] . 工质移动过程中与管壁换热使气塞的内部 压力下降,造成运动速度下降;然后又通过吸收蒸发 段传来的热量,为下次运动积攒能量,从而导致管内 的液塞上、下往复移动,工质处于振荡状态(图 4 中 液塞随着时间的增加从位置 A 运动到位置 B 又运 动到位置 C) [20] . 脉动热管为循环管路,每个平行 管道内的液塞都被推向冷凝段并相互挤压;由于各 个管段的受热和散热情况不完全一致,这种相互挤 压的状态最终被打破,形成工质在管内持续振荡的 单向循环流动状态. 图 4 工质在管内的振荡运动[20] Fig. 4 Oscillatory motion of the working medium in the tube [20] 随着功率的进一步增加,运动所需的能量能够 更快速的补充,液塞的振荡状态逐渐消失,工质处于 循环流动状态. 当功率到达一定值时,气泡在蒸发 段急速生成,造成蒸发段与冷凝段的压力差变大,冷 凝介质不能及时返回蒸发段,导致蒸发段完全被气 体占据,工质以塞状流(靠近冷凝段)和环状流(靠 近蒸发段)并存的半环状流形式存在;随着加热功 率的增加,塞状流和环状流的平衡位置逐渐向冷凝 段移动,最终导致环状流占据整个脉动热管,即工质 烧干[21] . 因此文献中一般将脉动热管中工质的存 在形式分为塞状流、半环状流、环状流和烧干等几 类[22] . 在上述过程中,液塞由于蒸发作用会越来越 小,而液塞两端的气塞逐渐融合在一起形成长短不 一的气塞,最终管内融合为一个气塞,气塞与管壁之 间通过液膜传热;工质运动状态的转移过程可以分 为:未振荡状态—间歇振荡状态—持续振荡单向循 环状态—循环流动状态—烧干状态. 工质运动状态的转变会使脉动热管表面的温度 呈现出不同的变化规律,从而使管壁温度成为辨识 脉动热管内工质运动状态的重要依据[23] ,通过管壁 的温度可以定性的分析管内的流动状态和潜在的热 行为[24] . 同时在工质形式和运动状态的转变过程 中,也会出现一些特定的现象,如蒸发段的核态沸 腾[25]和气塞间的液桥[26]等. 2郾 2 计算可视化研究 计算可视化研究是基于计算流体力学中的两相 流理论和 VOF( volume of fluid) 方法进行的. VOF 方法将流体分为多个分析域并在各分析域上定义 气、液两相的体积分数 姿,各分析域的密度 籽、导热系 数 k 与动力黏度 滋 可以通过如式(2)中所示的单纯 气相和液相的密度、单纯气相和液相的导热系数、单 纯气相和液相的动力黏度分别与体积分数的乘积得 到. 将以上参数代入控制方程并求解,可以得到气、 液两相的体积分数随时间变化的函数,并根据该函 数跟踪气、液界面的移动情况和气、液两相工作参数 的变化情况[27] . 籽 = 姿L 籽L + 姿V 籽V k = 姿L kL + 姿V kV 滋 = 姿L 滋L + 姿V滋 ì î í ïï ïï V (2) 通过仿真计算能够更加清楚的观察到脉动热管 在整个运行周期内管内工质存在形式的变化,如气 泡的生长、结合以及气塞的断裂过程. Pouryoussefi 与 Zhang [28鄄鄄30]通过建立脉动热管的三维计算流体动 力学(CFD)模型仿真计算了管内工质在一定的加热 功率下,工作状态从启动到稳定运行过程中的变化 情况,如图 5 所示. 随着时间的增加,气泡首先在蒸 发段出现,并最终形成循环的塞状流模式. 在整个 过程中,蒸发段的气泡逐渐生长、结合,而冷凝段 的气塞则发生了断裂. Wang 等[31] 也在仿真计算 中观察到了气塞的产生和合并过程. 如图 6 所示, 在 A 气泡附近首先出现了核态沸腾现象,气泡沿 着运动方向逐渐生长、汇集成气塞 B,然后形成更 大的气塞 C. 通过参数化建模和导入用户自定义函数可以方 便的改变结构参数和工质的物性参数,从而分析这 ·1118·
厉青峰等：脉动热管的理论研究与应用新进展 .1119. 综上所述，脉动热管内的工质具有复杂的运动 和存在形式，在不同工况下还会相互转化，通过可视 Nn 化实验可以清晰准确的观察到工质在整个工作周期 内的运动、存在形式和转化过程：借助计算流体力学 和热力学分析工具，目前已经可以对脉动热管的工 作过程进行较为精确的仿真，但仿真计算工作主要 集中在启动和振荡循环过程阶段. t=2.5s 3性能影响因素研究 nn 脉动热管的主要性能包括启动性能、传热性能 和传热极限等.而管径、长度、截面形状、加热方式、 充液率、倾斜角度、输入功率和工作流体种类等参数 均可以对上述性能指标产生影响.通过深入研究这 些因素对脉动热管性能的影响规律，可以进一步提 高脉动热管的工作性能，充分发挥其应用潜力 图5管内工质随时间的变化情况] 3.1启动性能 Fig.5 Variations of the working medium in the pipe with time 脉动热管的启动性能主要以启动所需时间的长 短、启动所需的最低热流量（或启动所需的输入功 率)和启动完成时的温度为基本指标.启动所需时 间越短、启动所需的最低热流量越少、启动完成时的 流动方向 温度越低，启动性能越好.当脉动热管的温度曲线 由不断上升转变为持续振荡状态时，标志着启动 完成[35]. 脉动热管的结构设计和使用工况会对启动性能 气塞C 0 产生很大影响.Lin等[6]通过实验研究了不同内径 气塞B 和总长度的脉动热管在水平和垂直状态下的启动性 能，发现随着内径的增加和总长度的减小，启动所需 的时间和启动所需的输入功率逐渐降低.在垂直加 气塞A 热条件下的脉动热管更容易启动.Wang等[3)分别 在脉动热管的蒸发段、绝热段和冷凝段加入瓦楞结 构，在不同输人功率下测试得到了启动所需时间 图6气塞的产生和合并过程[3] (图7).结果表明脉动热管的启动时间随着输入功 Fig.6 Generation and merging process of the gas plug] 率的增加而减少：位于蒸发段上的瓦楞结构增加了 些参数对脉动热管性能的影响.E等[2-]在仿真计 传热接触面积，因此启动性能最好.Riehl与dos 算过程中观察了工质的流动状态和气塞的合并过 Santos[]研究了加热位置对脉动热管启动性能的影 程，并与实验结果进行了对比，二者具有良好的一致 响，发现顶部加热和底部加热所需的启动功率和启 性.研究发现管内高压区总是出现在蒸发段，低压 动时间相同，但采用底部加热的启动温度比顶部加 区总是出现在冷凝段，且两端压力差越小、绝热段管 热低10℃，且启动完成后的温度更加平稳.Thomp- 径越小，气塞与液塞的分布越均匀，脉动热管的传热 son等[]通过实验发现在相同的输入功率下，增加 效率越高，且越容易达到循环流动状态.唐恺与陈 加热面积可以有效减少脉动热管对倾斜角度的敏感 曦[4]通过仿真计算发现，管内工质的物性参数随温 性，且小倾斜角度下的启动性能也更好 度和压力的变化会影响气、液塞的长度及其在管内 脉动热管中工质的变化也会改变其启动性能. 的分布：同时由于气体的密度和动力黏度远小于液 Vema等[o]通过实验研究了工作液体的种类和充 体，在具有较多气体的上升管段内，工质的移动速度 液率对脉动热管启动性能的影响.结果表明当去离 要比具有较多液体的下降管段大. 子水充液率为50%，甲醇充液率为40%时，启动所
厉青峰等: 脉动热管的理论研究与应用新进展 图 5 管内工质随时间的变化情况[29] Fig. 5 Variations of the working medium in the pipe with time [29] 图 6 气塞的产生和合并过程[31] Fig. 6 Generation and merging process of the gas plug [31] 些参数对脉动热管性能的影响. E 等[32鄄鄄33]在仿真计 算过程中观察了工质的流动状态和气塞的合并过 程,并与实验结果进行了对比,二者具有良好的一致 性. 研究发现管内高压区总是出现在蒸发段,低压 区总是出现在冷凝段,且两端压力差越小、绝热段管 径越小,气塞与液塞的分布越均匀,脉动热管的传热 效率越高,且越容易达到循环流动状态. 唐恺与陈 曦[34]通过仿真计算发现,管内工质的物性参数随温 度和压力的变化会影响气、液塞的长度及其在管内 的分布;同时由于气体的密度和动力黏度远小于液 体,在具有较多气体的上升管段内,工质的移动速度 要比具有较多液体的下降管段大. 综上所述,脉动热管内的工质具有复杂的运动 和存在形式,在不同工况下还会相互转化,通过可视 化实验可以清晰准确的观察到工质在整个工作周期 内的运动、存在形式和转化过程;借助计算流体力学 和热力学分析工具,目前已经可以对脉动热管的工 作过程进行较为精确的仿真,但仿真计算工作主要 集中在启动和振荡循环过程阶段. 3 性能影响因素研究 脉动热管的主要性能包括启动性能、传热性能 和传热极限等. 而管径、长度、截面形状、加热方式、 充液率、倾斜角度、输入功率和工作流体种类等参数 均可以对上述性能指标产生影响. 通过深入研究这 些因素对脉动热管性能的影响规律,可以进一步提 高脉动热管的工作性能,充分发挥其应用潜力. 3郾 1 启动性能 脉动热管的启动性能主要以启动所需时间的长 短、启动所需的最低热流量(或启动所需的输入功 率)和启动完成时的温度为基本指标. 启动所需时 间越短、启动所需的最低热流量越少、启动完成时的 温度越低,启动性能越好. 当脉动热管的温度曲线 由不断上升转变为持续振荡状态时,标志着启动 完成[35] . 脉动热管的结构设计和使用工况会对启动性能 产生很大影响. Lin 等[36]通过实验研究了不同内径 和总长度的脉动热管在水平和垂直状态下的启动性 能,发现随着内径的增加和总长度的减小,启动所需 的时间和启动所需的输入功率逐渐降低. 在垂直加 热条件下的脉动热管更容易启动. Wang 等[37] 分别 在脉动热管的蒸发段、绝热段和冷凝段加入瓦楞结 构,在不同输入功率下测试得到了启动所需时间 (图 7). 结果表明脉动热管的启动时间随着输入功 率的增加而减少;位于蒸发段上的瓦楞结构增加了 传热接触面积,因此启动性能最好. Riehl 与 dos Santos [38]研究了加热位置对脉动热管启动性能的影 响,发现顶部加热和底部加热所需的启动功率和启 动时间相同,但采用底部加热的启动温度比顶部加 热低 10 益 ,且启动完成后的温度更加平稳. Thomp鄄 son 等[39]通过实验发现在相同的输入功率下,增加 加热面积可以有效减少脉动热管对倾斜角度的敏感 性,且小倾斜角度下的启动性能也更好. 脉动热管中工质的变化也会改变其启动性能. Verma 等[40]通过实验研究了工作液体的种类和充 液率对脉动热管启动性能的影响. 结果表明当去离 子水充液率为 50% ,甲醇充液率为 40% 时,启动所 ·1119·