脈動熱管內流動及傳熱傳質數值研究

劉建紅+商福民

摘 要：文章采用Mixture模型對脈動熱管內的流動和傳熱現象進行了數值研究，結果表明脈動熱管在1s時刻已經熱啟，在5s時刻已經達到穩定。從氣相的體積分數云圖看到熱管內出現小氣泡聚合成大氣泡，并逐漸形成液塞與氣柱的現象，從氣相速度云圖中看出脈動熱管內呈穩定的振蕩流運動，且氣液兩相運行速度相對穩定，其數值模擬結果能為脈動熱管的運行機理提供理論基礎。

關鍵詞：Mixture模型；脈動熱管；振蕩流

引言

隨著計算機等電子科技產品逐漸朝小型化、多功能化、高穩定性的方向發展，更加迫切需要低功耗、低成本的新型散熱元件，傳統傳熱裝置多有賴于增強空氣的對流散熱效果，已不能滿足實際需要。脈動熱管[1-3]具有結構簡單、運行高效、可在多種重力環境下工作特點的振蕩熱管必將在越來越多的領域得到應用，脈動熱管發展時間不長，因而對它的研討還處于初步階段，論文相對較少。目前各國學者對脈動熱管的研討主要以實驗為主[4-5]，主要是為了研究它的操作過程和現象，研究管徑[6]、加熱位置[7]、管內工質[8]、充液率[9]等因素對脈動熱管運行和傳熱效果的影響。數值模擬作為現代物理研究的一個重要手段，被越來越多的應用到科學研究和生產實踐中，因有良好的可視化結論和精確的數據分析，能夠對理論和實驗研究方式進行有效補充，使彼此相互印證。本文采用混合模型（Mixture Model）模擬脈動熱管內傳熱和流動現象，揭示氣液兩相流速度場分布和運動規律。

1 幾何物理模型和數學模型

1.1 幾何模型和邊界條件

本文以文獻[10]的實驗臺為依據，建立二維幾何模型，內徑為0.004m，高為1m。管壁材質為紫銅，脈動熱管內抽真空后充入59.82%的無水乙醇，因脈動熱管為規則結構，網格劃分時并未采取分區和局部加密方式，整個計算區域采用四邊形網格，生成網格數大約為200000。

邊界條件時是把脈動熱管劃分為四個區域，分別是下部為蒸發段，加熱溫度設置為573K，兩邊為絕熱段，熱流密度為0，上部為冷凝段，設置冷凝溫度為372K。

1.2 數學模型

本文采用的混合模型（Mixture Model）是多相流模型的一種簡化，可以模擬計算兩相或多相流中各相以不同速度運動的流體問題。通過求解混合相的連續性方程、第二相的體積分數方程，以及相對速度的代數表示來實現多相流體的模擬計算。

守恒方程：

2 計算結果的分析與討論

2.1 不同時刻氣相體體積分數分布云圖

圖2中分別為Mixture模型在1s、5s、10s時的氣相體體積分數分布云圖，從圖中可以看出：在1s時刻只在在脈動熱管的加熱段和冷凝段有明顯的氣相存在，其他位置還是液相存在，隨著加熱的進行，氣相逐漸充斥在脈動的各個部分，氣液兩相互相夾帶，混合流動，5s時刻氣液兩相相互夾帶、混合流動，隨時間增加在10s時刻，氣泡增多，逐漸聚合成長，液相與氣相逐漸分離，形成液塞與氣柱，在流動過程中液塞與氣柱交替出現，形成活塞式流動，并且逐漸達到穩定。說明隨著時間的進行，液相無水乙醇在脈動熱管的蒸發段吸收熱量，迅速氣化并膨脹，壓力增大，向冷凝段運動并被冷凝釋放出熱量，壓力降低，使冷熱端形成很大的壓差，促使脈動熱管內的無水乙醇產生強烈的往復振蕩流動，往往頻率也大，釋放的熱量就會越多。

2.2 不同時刻氣相體積分數比較

圖3為不同時刻氣相體積分數沿脈動熱管中軸線分布均呈水波形狀，波峰位置顯為氣塞所在位置，波谷為液塞所在位置，說明脈動熱管內形成明顯的汽-液柱塞交錯分布，另外從圖中可以看出在1s時刻脈動熱管內已經呈現震蕩現象，這也是脈動熱管的一大優點，熱傳遞迅速。相對其他時刻，10s時刻氣體體積分數上升的波峰區間更廣，且波峰較高，振蕩頻率增大，說明此時脈動熱管內氣液相應經呈現劇烈的往復振蕩流動。

2.3 不同時刻氣相速度云圖比較

圖4中分別為Mixture模型在不同時刻氣相速度等值線在脈動熱管內分布，通過比較可以明顯看出1s時刻氣相在脈動熱管中間部分氣相速度很小，而在脈動熱管的冷凝段達到最大，說明氣相在冷凝段迅速冷凝釋放出氣化潛熱，隨著時間的進行，5s時刻和10s時刻氣相的速度場變化不大，氣相速度云圖逐漸充斥整個脈動熱管段，并趨于均與分布，說明脈動熱管在很短的時間內達到穩定的振蕩流動。

2.4 不同時刻間氣體速度比較

圖5為Mixture模型在不同時刻的氣相速度沿脈動熱管中軸線分布，可以看出不同時刻的速度曲線均呈波動形狀，10s時刻的波形圖最為穩定，幾乎呈現對稱分布，說明此時脈動熱管內呈現穩定的氣液兩相交替存在，并往復運動。從1s到5s氣體速度明顯增長，在第5s時刻氣相速度曲線就已基本達到穩定。

3 結束語

本文采用Mixture模型對脈動熱管內的流動和傳熱現象進行了數值研究，通過脈動熱管內的氣相的體積分數云圖和氣相速度云圖分析得出，脈動熱管在1s時刻已經熱啟，在5s時刻已經達到穩定。從氣相的體積分數云圖看到熱管內出現小氣泡聚合成大氣泡，并逐漸形成液塞與氣柱的現象，從氣相速度云圖中看出脈動熱管內呈穩定的振蕩流運動，且氣液兩相運行速度相對穩定，其數值模擬結果能為脈動熱管的運行機理提供理論基礎。

參考文獻

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作者簡介：劉建紅（1979-），女，漢族，碩士研究生，主要從強化傳熱，傳熱傳質流動的數值模擬與實驗研究工作。