脈動熱管傳熱性能模擬研究*

景艷陽，魯祥友

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

脈動熱管擁有結構簡單、傳熱能力突出、有較高的抗燒干能力[1]、適應多種工作環境等優良特點。所以熱管技術應用于電子設備散熱、土建工程節能、熱能動力工程、太陽能光伏發電和余熱利用等多個領域[2]，其中還包括在細胞快速冷凍和超導磁體冷卻新領域的應用[3]。國內外學者從各方面對可能影響脈動熱管的各種因素進行了大量的模擬及實驗研究。影響脈動熱管的傳熱性能一般有幾何參數、運行參數、物理參數等[4]。

Charoensawan 等[5]通過實驗研究表明，脈動熱管熱阻會隨著匝數的增加而降低。徐金柱等[6]對單環路液氫為工質的脈動熱管進行CFD 模擬，研究結果表明，充液率80%的脈動熱管熱阻隨加熱功率的增加先減小后穩定，溫度振蕩的頻率是隨加熱功率的增加先增大后穩定。J.Venkata suresh等[7]對兩環路甲醇作為工質的脈動熱管進行了CFD 模擬研究，分別對比了60%、70%、80%三種填充率，研究結果表明甲醇充液率為60%時性能最優，熱阻隨熱輸入的增加而減小，傳熱系數增大。H N Reddappa 等[8]對丙酮為工質的脈動熱管進行CFD 模擬，研究結果表明，熱阻隨熱量增加而減小，充液率為60%時，熱阻降低性能最優。

大量的研究結果表明，計算流體模擬可以對脈動熱管的實際工作過程，進行更加完整和精確的模擬和分析。本文建立常規均勻直徑脈動熱管，通過對不同環路數的脈動熱管進行模擬，對液塞流動特性、體積分數、溫度及壓力變化等進行分析。

1 幾何模型及模擬條件

1.1 幾何模型

如圖1 所示，建立環路1-3 管徑為2mm 的脈動熱管模型，對0.5mm、0.35mm、0.1mm、0.05mm 四個網格尺寸進行有效性驗證，對比精度及時間選定網格尺寸為0.35mm。脈動熱管總長度為150mm，垂直放置底部受熱，蒸發段長度35mm，絕熱段80mm，冷凝段35mm（多環路中間環路冷凝段25mm），管內真空度4000Pa，充液率50%，歐拉三相分別是空氣、水蒸氣和液態水。分別在脈動熱管的每個管道高1mm、20mm、120mm、139mm、149mm 處設立測點，分別記錄處理每個測點溫度、壓力等參數的瞬時數據。同時將整個運行過程液體體積分數變化過程記錄為動畫。考慮到管材實際使用和工質的相容性，鋼材與水相容性優良，最大腐蝕程度為0.05mm/年，所以，本次模擬管材選擇鋼，壁厚0.5mm，運行工質選擇常規液體水。

1.2 控制方程及其他條件

采用Fluent 中的VOF 模型，可以很好地追蹤脈動熱管內在氣液相變時，包括蒸發、沸騰、冷凝和氣液塞產生及融合等復雜的變化過程。使用PISO 進行瞬態計算，跟蹤相與相之間界面的連續性方程為：

式中，ρ：密度，kg/m3；t：時間，s；v：速度，m/s；S：質量源項。

假設管內工質為不可壓縮流，對于不可壓縮多相流，壓力修正方程為：

其中:

ρrk：kth相的相位參考密度（定義為相k 的總體積平均密度）；v'k：kth相的速度修正；v*k：當前迭代時vk的值，速度修正本身表示為壓力修正的函數。

邊界條件設置：蒸發段邊界條件為恒定熱通量10000W/m2，冷凝段環境溫度為20℃，其它部分為絕熱。

2 模擬結果分析

2.1 脈動熱管啟動分析

脈動熱管是蒸發段加熱、冷凝段降溫造成工質溫度振蕩，與工質循環過程相變產生壓力波動共同作用作為運行的主要動力。壓力分布與液相分布狀態可以很直觀的解釋脈動熱管工作狀態。為了更清楚明顯地觀察到脈動熱管啟動狀態，以三環路脈動熱管的啟動狀態進行分析。圖2 是三環路脈動熱管啟動階段壓力及液相分布云圖。脈動熱管未啟動前設置是真空狀態，當蒸發段受熱，每個蒸發段的U 型結構壓力都開始上升，最中間的U 型環路壓力增幅最大，如圖2（a），并且通過通道向兩側釋放壓力，雖然每個U 型蒸發段熱通量接近一致，但可能由于整個脈動熱管結構最外側環路與中間環路距離最遠，壓力最低，相互影響程度最小，而且連接外側回路的低壓冷凝段比中間環路的冷凝段長，所以同一時間內壓力增長速度相對最弱。由于脈動熱管管徑均勻，結構呈軸對稱狀態，所以結構左右兩側壓力分布同樣對稱，變化幅度對稱，造成如圖2（b）所示的液相流動狀態，液相向冷凝段流動的高度一致。

圖2 0.02s 壓力及液相分布云圖

隨著蒸發段不斷接收熱量，壁面溫度升高，形成汽化核心，產生的小氣泡受熱膨脹與對面壁面氣泡接觸融合成氣塞。其中蒸發段的彎頭部分氣塞產生及生長速度和程度基本小于豎直管段。分析原因，一方面豎直管段的氣泡從壁面產生并生長，其汽化核心沿受豎直壓力梯度的影響，氣塞主要依靠上下壓力差形成。而由于結構差異，彎頭部分的汽化核心壓力梯度向四周發展基本呈發散狀態，而且啟動階段液相主要集中在脈動熱管結構底部，受重力影響，彎頭處的壓力主要依靠壁面持續受熱發生變化。由于啟動壓力左右對稱分布，所以液相高度呈現為以結構中軸對稱的上開口拋物線，如圖3。當脈動熱管最外側液相上升至冷凝段，液塞氣塞冷凝換熱，氣泡破碎，引起壓力變化同時隨著蒸發段加熱，液膜蒸發，左右兩側管道產生壓力差。當其中一側管內壓差在抵消液體重力、流動阻力、毛細阻力后不足以支撐液塞繼續上升時，工質液相開始停滯或者逆向運行，推動另一側液相向冷凝段運行。通過觀察對比1-3 環路脈動熱管運行過程，單環路脈動熱管工質最終以順時針方向形成單向循環流動，2-3 環路脈動熱管最終形成逆時針單向循環。而且環路數量的增加減少了工質啟動時左右振蕩循環的次數，最終形成單向循環的時間減少，有效傳熱的時間增加，優化了傳熱性能。

2.2 環路數對脈動熱管傳熱性能的影響

圖3 0.25s 液體體積分數分布云圖

蒸發段溫度都是隨時間的增加先上升，后降低并形成持續穩定的振蕩。蒸發段溫度波動幅度較大是由于液體不斷接收熱量，當熱量累計到一定程度，液體被壓力推動向冷凝段運行，蒸發段液相減少，氣塞迅速升溫，當液相回流至蒸發段溫度降低。對比同一充液率不同環路數的溫度變化曲線圖發現，溫度突升程度和振蕩幅度都隨著環路數的增加而減小，而且蒸發段溫度達到持續穩定振蕩所需的時間隨環路數的增加而減少。由于壁面熱通量固定，脈動熱管環路數增加的同時，總加熱功率增加，換熱面積增加；同時由于環路數增加，工質形成單向循環時間減少，穩定的單向循環流有助于脈動熱管進行穩定的傳熱，優化傳熱性能。蒸發段穩定的溫度變化說明蒸發段液相傳熱穩定，無“燒干”現象，不易達到傳熱極限。

圖4 不同環路數蒸發段溫度隨時間變化圖

3 結論

本文對直徑2mm 的1-3 環路的脈動熱管進行模擬分析，分析得出以下結論：

（1）均勻直徑脈動熱管啟動時左右兩側壓力分布呈對稱狀態，工質上升幅度同樣對稱。彎頭氣泡產生融合速度小于豎直管道。

（2）單環路脈動熱管形成順時針循環，2-3 環路形成逆時針循環。脈動熱管左右振蕩循環次數隨環路數增加而減少，形成單向循環時間減少，傳熱性能提高。

（3）隨著環路數的增加，蒸發段溫度突變程度降低，達到穩定持續振蕩所需時間減少，溫度穩定的振蕩說明脈動熱管傳熱效率穩定，無“燒干”現象。增加環路數有助于提高傳熱極限。