單環形振蕩熱管的數值模擬研究

張 濤，左洪桃，王立鵬，王欣彥，唐嘉璐

(沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110000)

隨著科學技術的發展，電子產品更新換代的速度越來越快，市場對于高效散熱器的需求也越來越大。振蕩熱管又名脈動熱管，產生于20世紀90年代初期，是優于普通熱管的一種新型獨特傳熱原件。它是由蛇形毛細管組成的，內部充滿換熱工質，一般情況下包括三個部分：蒸發段、絕熱段、冷凝段。與傳統熱管相比，振蕩熱管具有獨特的特點：內部結構簡單，外部配置靈活，傳熱能力強，傳熱極限高，加熱方式靈活，成本低等。因此能夠廣泛應用于電子元器件散熱，太陽能集熱器，余熱回收，地板采暖，運輸制冷等各種涉及傳熱的領域，尤其用于小空間高熱流密度的換熱場合，具有極好的發展前景。

近年來，國內外研究者對振蕩熱管進行了大量的數值模擬和理論分析，但依然有待完善。其中，徐德好等[1]對板式脈動熱管在不同加熱功率條件下的流體流型演化和相變傳熱特性進行研究，通過數值模擬得到了泡狀流、柱塞流、環狀流是該型熱管內的主要流型。Liu和Chen[2]對平板振蕩熱管的熱流體流動進行了數值分析，得出了不同填充比下平板振蕩熱管的氣液兩相流流型和溫度分布。李培生等[3]對振蕩熱管初始化和運行過程中氣液兩相的運動過程進行數值模擬，結果表明：管內工質循環的重要動力來源是氣泡的產生和形態變化。Ling等[4]設計了二維和三維的振蕩熱管，并對其在電子冷卻條件下的溫度振蕩傳熱特性及流型進行了實驗研究。Zhao等[5]以雙支路閉環振蕩熱管模型為基礎進行了數值模擬研究，揭示了不同熱源模式下(非均勻脈沖熱源模式、均勻脈沖熱源模式和交替熱源模式)振蕩熱管內部工質的運動規律和傳熱機理。現有的相關研究多是模擬流形且存在眾多假設，和實際運動狀態依然有很大區別。

本文基于VOF方法建立了振蕩熱管模型，并使用Fluent軟件對熱管內部的工質流形進行了數值模擬。通過分析振蕩熱管內部介質溫度、氣液兩相流速度和管內壓力，對熱管的啟動和循環機理以及熱管運行的安全性進行了研究。

1 建立模型

1.1 VOF (volumeoffluid)方法

VOF方法是一種廣泛應用于研究不相互混合的流體界面的追蹤方法。在此模型中，各流體的體積分數和是1。通過計算各相的體積分數來確定界面位置，并對其進行研究。

1.2 模型參數

數值模擬所使用的模型為單環閉式振蕩熱管，管內工質設定為水，整體結構分為加熱段、絕熱段和冷凝段三部分，模型總長為72mm，熱管內徑為2mm。振蕩熱管的結構及網格劃分見圖1，底部為加熱段，頂部為冷卻段。采用恒熱流密度的邊界條件，加熱功率為40W。充液率設置為60%，迭代步長為10-5s。

圖1 振蕩熱管結構網格圖

2 模擬與分析

通過FLUENT數值模擬，得到了在t=2秒，振蕩熱管內部流體介質的場量分布。計算分析結果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 溫度場

圖3 速度矢量圖

圖2為振蕩熱管內部介質溫度場云圖，下部白色對應的為高溫區，對應的最高溫度為459K，上部白色對應的為低溫區。圖3為氣液兩相流速度矢量圖，從圖中可以看出，氣液兩相流處于循環運動狀態。

圖4 相圖

圖4為振蕩熱管內汽液兩相流的相圖，圖中黑色的部分表示液體，灰色部分表示汽體。從圖4可以看出，在正常溫度范圍內，振蕩熱管內部的液膜是完整的，如圖4所示。當溫度持續升高，液膜就會逐漸蒸發直至蒸干，造成安全的威脅。圖5 為壓力等值線圖，可見由于管內壓力的變化，推動液柱在管內做振蕩循環運動。

圖5 壓力圖

3 結論

對振蕩熱管進行建模和對熱管運行過程進行數值模擬，得到的結論有：

(1)振蕩熱管在運行過程中，氣液兩相流處于循環運動狀態。

(2)在正常溫度范圍內，振蕩熱管內部的液膜是完整的，當溫度持續升高，液膜就會逐漸蒸發直至蒸干，造成安全的威脅。

(3)由于管內壓力的變化，推動液柱在管內做振蕩循環運動。