氮工质低温脉动热管的数值模拟

低温制冷机被广泛应用于超导体冷却、低温医疗、低温液体贮存等方面,但受到只能在冷头处提供冷量的限制。脉动热管作为一种灵活高效的传热元件,可以与低温制冷机配合以实现分布式冷却和长距离冷量传送。低温工质在物性上与常温工质有很大不同,这使得以氮、氢为代表工质的低温脉动热管的传热和振荡特性有别于以水、乙醇为代表工质的常温脉动热管。针对脉动热管中的长液塞典型流动现象,建立了多气泡-液塞的闭式脉动热管模型,给出了以氮为工质时装置的振荡和传热特性,结果显示氮工质的低温脉动热管与水的脉动热管相比,其内部的长液塞具有更高的振荡频率,且具有更小的传热温差。     

振荡流热管振荡相变传热特性

本文建立了环路型振荡流热管物理数学模型。数值计算结果表明,汽泡的交替膨胀和压缩使管内工质维持振荡运动,热管冷却端的散热情况是影响振荡流热管内部振荡运动的重要因素。热管内部振荡运动受倾角、充液率和加热功率影响,其变化趋势与前期实验结果基本一致。热管内脉动运动愈剧烈,热管的传热性能愈好。     

板式脉动热管的实验研究

本文搭建了板式脉动热管的实验台并进行了实验研究。在电加热循环水冷却的情况下研究了小型板式脉动热管的启动和运行特性,以及脉动热管的倾斜角度、充液率、工质等因素对板式脉动热管换热状况的影响。实验结果表明,当热管启动运行时,热端温度降低冷端温度升高,热阻减少。不同充液率和倾斜角存在着不同的临界启动功率。管内真空度对启动运行有一定的影响。在本实验条件下,热管在垂直加热、充液率为30%、工质采用丙酮时传热效果最好。     

工质热物性对脉动热管运行性能的影响

工质热物性显著影响脉动热管的流动与传热特性。本文通过理论计算及实验研究,定性分析了工质热物性对临界直径、毛细滞后阻力、启动运行及传热极限等方面的影响。研究表明,为保证脉动热管的运行性能,在设计阶段应综合考虑工质、管材及管径大小等因素。首先,根据使用场合的热流密度及运行温度高低合理选取工质种类;然后,选用合适的管壁材料,尽可能减少液塞与管壁之间前、后接触角不同引起的毛细滞后阻力;最后,确定管内直径范围。本文工作旨在为脉动热管的设计和选用提供一些依据和参考。     

稳定振荡条件下高性能脉动热管工作特性研究

电子设备小型化与高性能化的趋势给现有的热管理系统带来了巨大的挑战。脉动热管作为热管理系统具有性能优越,高自由度的优势。本文研究了将稳定振荡运行的脉动热管作为核心部件用于电子设备热管理领域的微观作用机理和性能变化。研究发现,脉动热管在稳定振荡阶段运行可以有效避免停滞现象从而实现最佳的热性能。通过对稳定振荡条件下脉动热管的工作特性进行可视化研究发现,该阶段的支配流型为柱塞流或弹状流。作为主要特征的泰勒气泡其位移趋向于正弦运动,而速度分布主要为往复流特征,平均速度接近于0,在高热流密度条件下,速度分布的往复流特征被打破并出现脉动流特征,冷却效率小幅提高。     

基于AR功率谱的振荡热管循环运行特性分析

本文可视化实验观测了振荡热管在准稳定运行状态下管内工质的循环运行模式,并引入现代自回归(AR)模型功率谱分析方法分析了两种工质循环运行模式下振荡热管壁温振荡信号的频谱特性。研究表明:不同循环运行模式下振荡热管各工作段壁温的时域振荡信号各具特征,其AR功率谱密度图能够有效反映振荡热管循环运行的频谱特性并提取壁温时域振荡信号中的主频信息,它可以成为辨识振荡热管内工质循环运行模式的有效工具。     

不同工质时脉动热管换热特性实验研究

本文通过实验研究了工质类型和工质充液率对竖直式脉动热管换热特性的影响。采用了去离子水、甲醇和乙醇三种液体作为工质,加热功率为5~80 W。结果表明,脉动热管的换热特性与工质充液率密切相关。当去离子水充液率为50%时,脉动热管内能够形成稳定的气柱和液塞流动,具有最佳的换热表现,获得的最低热阻为80 W加热功率下的0.47K/W。在较小的加热功率下,乙醇和去离子水具有比甲醇更小的热阻,随加热功率增加,采用甲醇时加热段温度上升波动剧烈,而采用去离子水和乙醇时温度上升平缓,具有更好换热效果。甲醇和乙醇做工质时获得的最小热阻分别为80 W加热功率下的0.56 K/W和0.48 K/W。     

脉动热管的接触角滞后和毛细滞后阻力

脉动热管通常采用毛细管制造,液塞在运动过程中前进接触角和后退接触角随着管径、管长、充液量、传热量和工质的选择会有很大的不同,存在着毛细滞后效应的影响。本文对毛细管中单个液塞在运动过程中两个接触角和毛细滞后阻力进行了分析。结果表明,接触角滞后对于上述参数变化比较敏感,接触角滞后对于运行是不利的.可以通过毛细管的选取、工质的选择和充液率的改变等来消除毛细滞后的影响。得到的结果对于进一步完善脉动热管的物理模型有重要参考价值。     

微型脉动热管气液两相流动与传热特性实验研究

本文基于MEMS工艺研制了硅基微型脉动热管实验芯片,并搭建了热管流动与传热性能实验测试平台,高速可视化观测了热管内气液两相脉动行为特性与流型演化规律,并探索了工质脉动运行状态与热管传热性能间的内在联系。实验结果表明:微型脉动热管内部工质脉动运行主要包括三类要素:小幅脉动、大幅脉动与停滞,且这三种运行模式既可单独出现,也可间歇性共存;随着热负荷的升高,脉动热管内工质运行状态出现由停滞向大幅脉动的转变,导致热管传热性能大幅提升;微型脉动热管内的主要流型有泡状流、塞状流与环状流等,而由通道尺度效应引起的特征性喷射流现象诱发了通道内环状流向塞状流的演化.     

脉动热管的结构改进及其传热特性的实验研究

通过观察脉动热管的运行过程,并分析其存在的缺点,提出对脉动热管的结构进行改进,合理匹配各通道内的 流动阻力,实现工质在热管里的稳定单向流动,以改善加热段的供液情况,提高脉动热管传热性能。并对充灌率、倾角和 通道大小对改进型脉动热管的传热性能的影响进行了实验研究。     

脉动热管实验研究

建立了铜管脉动热管实验台,进行了实验研究.分析了在水冷的条件下,充液率、工质、倾斜角等因素对脉动热管传热性能的影响,结果发现,热阻随着充液率的增加而增大;选用蒸馏水、无水乙醇以及丙酮为工质时,在相同条件下,丙酮热阻最低;不同倾斜角的实验中垂直底加热时脉动热管热阻最低.     

高功率脉动热管的流动和传热特性

在毛细滞后阻力方面,改进了所建立的高功率脉动热管的模型,进一步研究了脉动热管的流动和传热特性.根据控制体进出口液体容积流率的变化和流型的环状流特点,提出了确定毛细滞后阻力的新方法,关联了脉动热管的充液率、传递的功率大小、流速等参数之间的耦合关系,从而进一步说明了显热和潜热贡献的转换关系和传热特性.结果表明,工质的流速主要受毛细管管径、加热段的热流密度、传递的功率大小等影响较大,受毛细管长度的影响较小;总传热量中显热传热量仍占大部分.     

脉动热管运行的可视化实验研究

本文对回路型脉动热管（Ｌｏｏｐｅｄ ＰＨＰ）的运行进行了可视化实验研究，观察了其稳定运行时，工质的运动特征和热管内的典型现象；研究了其传热性能与充液率，冷却方式，加热端与冷却端相对位置等各种因素的关系；在可视化实验结果的基础上，对脉动热管运行的一些基本问题进行了讨论和分析。     

低沸点工质板式脉动热管传热特性研究

针对电子设备需要在较低的温度下工作的要求,本文对采用R141b与R600a等低沸点工质,槽道边长为1 mm的板式脉动热管进行传热实验研究。结果表明,对比丙酮工质脉动热管,在不同加热功率下,低沸点工质脉动热管启动时间短,启动温度低,正常运行时冷热端温差小,热端温度低,热阻小。低沸点工质能大幅提高微通道脉动热管传热性能,R600a为工质时,脉动热管启动时间最短仅需要12 s,正常运行时,R141b为工质脉动热管冷热端温度差最小为0.8℃。     

超亲水脉动热管液弹液膜沉积的实验研究

本文对紫铜板式脉动热管表面进行超亲水及亲水处理。通过高速摄像观测液弹脉动时界面三相线的演化过程,研究脉动热管界面的运动规律。实验结果表明液弹脉动过程中,由于液膜沉积的作用液弹尾部脉动热管壁面被一层液膜覆盖。沉积液膜的长度与液弹脉动速度和脉动热管表面润湿性能有关。随着表面润湿性能的提高,相同的加热功率下液膜沉积的长度增加.超亲水和亲水脉动热管液弹脉动的振幅和速度大于普通紫铜脉动热管。脉动热管的传热性能的大小取决于液弹脉动的剧烈程度。亲水表面脉动热管液弹脉动的振幅和速度增加,传热性能高于普通紫铜脉动热管。     

疏水表面对脉动热管性能的影响

本文在紫铜板制作4弯管闭合回路脉动热管,对脉动热管的各部分分别进行疏水处理,采用高速摄像研究脉动热管液弹的脉动运行特性及对传热的影响.实验结果表明,疏水表面影响脉动热管的传热性能,疏水处理后的脉动热管的热阻高于普通紫铜脉动热管,蒸发段的温度升高,且脉动热管易烧干。液弹的脉动频率降低,传热性能下降,完全疏水和蒸发段为疏水表面的脉动热管液弹几乎不脉动,传热性能与普通紫铜板相近.     

角管脉动热管的结构和尺度效应研究

根据角管毛细管中液体的分布以及汽液同向流动的特点,计算分析了正三角形和等腰直角三角形两种截面脉动热管中几种因素对热管传热性能的影响.计算结果表明,在充液率为 30% 时,两种角管脉动热管的热阻均在 0.1℃/W 以下;在相同加热功率和充液率时,等腰直角三角形截面脉动热管的传热性能优于正三角形截面的;截面形状相同时,水力直径较大的热管热阻值低于水力直径较小的热管;热管热阻值随接触角增大而减小.     

脉动热管闭合回路内热驱动气液两相脉动运行特性的非线性研究

本文实验测试了脉动热管闭合回路内热驱动气液两相脉动运行过程中管壁温度脉动特征,并对所采集到的壁温脉动时间序列信号进行了相空间重构,研究了混沌吸引子形态与气液两相脉动运行模式间的内在联系,分析了管内气液两相脉动运行非线性特性随运行模式的变化规律。研究表明:脉动热管闭合回路内热驱动气液两相脉动运行既非是周期性行为也非是完全随机行为,而是具有典型的混沌特征;壁温脉动时间序列信号的混沌吸引子形态对运行模式的转化敏感,故其可以成为辨识管内气液两相工质脉动运行的有效工具。     

基于混合工质小型环路热管的实验研究

为满足高寒地区和机载设备中电子设备对散热装置较宽工作温度的要求，本文提出采用乙醇-水混合物作为环路热管的工质，开展了乙醇浓度对环路热管启动特性和热输运性能影响的研究。实验表明：基于乙醇-水混合工质的环路热管能在低功率下启动，随着工质中乙醇浓度的减小，最小启动功率、启动温度升高，启动性能变差；使用混合工质可以改善环路热管...     

充液率对小型重力热管传热特性影响实验研究

开展了矩形槽道铝-乙醇小型重力热管的传热特性的实验研究,分析讨论了充液率对壁面温度分布、气液两相分布、热阻等热管传热性能的影响。研究表明,充液率对高热负荷工况的两相流动状态和传热特性有显著影响。两相脉动是高热负荷工况小型重力热管特有的两相流动现象.低充液率时,液塞易被气流冲破形成环状流,壁面温度几乎无波动。中等充液率时,在蒸汽和液塞的交替冲刷作用下,热管各段壁面温度均表现出脉动特性。高充液率时,液塞脉动速度的减小削弱了液塞对壁面的冲刷作用,壁面温度未出现明显波动.并且,中等充液率工况下气液两相的快速脉动增强了热管的传热性能,使得均温性和传热极限均优于低充液率和高充液率的情况.