脈動(dòng)熱管的試驗(yàn)及理論研究現(xiàn)狀

劉超翔

沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院（110168）

0 引言

脈動(dòng)熱管又稱振動(dòng)熱管，相較于傳統(tǒng)熱管沒有毛細(xì)芯，工質(zhì)依靠管內(nèi)表面張力作用產(chǎn)生的毛細(xì)力回流。 因均溫性良好、傳熱效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工且造價(jià)成本低等特點(diǎn)引起了了世界范圍內(nèi)研究者的廣泛關(guān)注。按照結(jié)構(gòu)形式可將脈動(dòng)熱管分為開放型回路和閉合型回路結(jié)構(gòu)。

目前對(duì)脈動(dòng)熱管的研究， 多以回路型PHP 為主，通過實(shí)驗(yàn)、理論分析與建模等方法，對(duì)熱管的可視化、傳熱性能、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及方法等方面開展學(xué)術(shù)研究。

1 試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

Khandekar[1]將影響脈動(dòng)熱管傳熱特性的因素歸結(jié)為三類:①幾何參數(shù):包括管徑、管徑截面形狀、彎頭數(shù)、蒸發(fā)段/冷凝段長(zhǎng)度等；②物理參數(shù):包括工質(zhì)熱物性、充液率等；③操作參數(shù):包括放置位置、加熱/冷卻方式等。 為了探究各因素對(duì)熱管傳熱性能的影響規(guī)律， 眾多研究人員對(duì)熱管開展試驗(yàn)研究，總結(jié)出了各因素對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱特性的影響規(guī)律及結(jié)論。

曹小林[2]等通過對(duì)方形和三角形截面PHP 的研究，發(fā)現(xiàn)熱流密度小時(shí)三角形熱管性能優(yōu)于方形熱管， 熱流密度大時(shí)界面形狀對(duì)傳熱極限影響不大。商福民[3]等對(duì)非均勻截面熱管的試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)非均勻截面在特定條件下PHP 傳熱性能優(yōu)于均勻性截面熱管。 王超[4]對(duì)三角形、梯形、矩形三種不同截面的熱管進(jìn)行可視化研究，得出三角形及梯形截面PHP 的熱阻遠(yuǎn)小于矩形截面熱管， 換熱系數(shù)更高；引入周期性縮擴(kuò)變截面通道結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明在熱負(fù)荷較高時(shí)，C 型縮擴(kuò)變截面熱管的熱阻遠(yuǎn)小于A、B 型截面，對(duì)流傳熱系數(shù)更高，傳熱性能更為優(yōu)異。 充液率嚴(yán)重影響著脈動(dòng)熱管的傳熱性能，取值范圍通常為20%～80%。 低充液率容易導(dǎo)致蒸發(fā)段出現(xiàn)“燒干”，充液率過大會(huì)使蒸發(fā)段形成的氣泡數(shù)減少，削弱熱管的震蕩效果，故熱管存在最佳的充液值。 陳貝貝[5]等對(duì)銅-乙烷脈動(dòng)熱管進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最佳充液率為50%，且傳熱性能與充液率呈倒U 型曲線關(guān)系。 Miyazaki[6]等則認(rèn)為脈動(dòng)熱管的最佳充液率與加熱方式密切相關(guān)。

目前脈動(dòng)熱管采用的工質(zhì)主要有水、 電子冷卻液 FC72、丙酮、R123、乙醇、R141b、R134a 等。 陳靜妍[7]對(duì)七種工質(zhì)的脈動(dòng)熱管研究，結(jié)果表明低沸點(diǎn)和低汽化潛熱工質(zhì)更有利于脈動(dòng)熱管啟動(dòng)的啟動(dòng)效果，同時(shí)選用工質(zhì)時(shí)還應(yīng)考慮導(dǎo)熱系數(shù)、黏度以及表面張力等因素。 除純工質(zhì)外，褚紅蕊[8]等對(duì)混合工質(zhì)展開研究，結(jié)果表明，非共沸混合物是建立在恒壓、非熱的熱力學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)上的，混合物的種類、配比和填充量與熱泵的工作特性密切相關(guān)， 以達(dá)到熱泵的最佳性能。

脈動(dòng)熱管的傾斜角對(duì)熱管影響的啟動(dòng)及運(yùn)行特性，史維秀[9]等的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)傾角為90°時(shí)，傳熱熱阻最低，運(yùn)行效果最好，理想的傾斜角度是30°～90°，水平放置時(shí)容易出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象。

趙佳騰[10]等對(duì)不同彎頭數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，在彎頭數(shù)目相同時(shí)， 熱阻大小與加熱功率大小呈負(fù)相關(guān)系，加熱功率不變時(shí)，熱阻大小與加彎頭的數(shù)量呈正相關(guān)。現(xiàn)階段對(duì)于脈動(dòng)熱管傳熱特性的試驗(yàn)研究比較豐富，但由于脈動(dòng)熱管運(yùn)行過程的復(fù)雜和流動(dòng)的隨機(jī)性以及試驗(yàn)研究對(duì)象的差異，對(duì)某些運(yùn)行機(jī)理尚不明確，需要更多的試驗(yàn)測(cè)試來完善對(duì)脈動(dòng)熱管的認(rèn)識(shí)，為該技術(shù)的優(yōu)化及發(fā)展應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 理論與數(shù)值分析研究現(xiàn)狀

在脈動(dòng)熱管的理論研究過程中，涉及毛細(xì)力學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等多門學(xué)科，可將現(xiàn)階段的理論研究現(xiàn)狀分為4 類理論模型:

2.1 “彈簧- 質(zhì)量- 阻尼系統(tǒng)”模型

Zuo[11]等將氣塞模擬成彈簧，對(duì)液塞進(jìn)行受力分析，建立了“單彈簧-質(zhì)量-阻尼”模型，而由于該模型過于簡(jiǎn)化， 沒有考慮表面張力及液膜的作用，模擬與試驗(yàn)觀測(cè)差別較大。Wong[12]等在該模型的基礎(chǔ)上聯(lián)立每組氣塞、液塞，建立“多彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型，極大地簡(jiǎn)化了管內(nèi)工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特征，但傳熱和相變過程未加以考慮，偏離物理實(shí)際，所以缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Ma[13]等利用Laplace 變換，考慮熱摩擦力和驅(qū)動(dòng)力的作用，改進(jìn)了“彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型，獲得了氣、液塞位移的解析解，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)較為吻合，然而，由于該模型忽略了液膜蒸發(fā)遷移及表面張力等影響因素，不能準(zhǔn)確描述熱管的物理規(guī)律。 而Nikolayev[14]等基于氣、液塞單元的質(zhì)量、 動(dòng)量和能量守恒方程所建立的數(shù)學(xué)模型，能更好的闡述重力、表面張力和液膜蒸發(fā)相變傳熱過程的作用。

2.2 基于容積控制法的數(shù)學(xué)模型

不少學(xué)者借助Fluent 軟件， 通過VOF 方法描述脈動(dòng)熱管內(nèi)氣、液界面的位置和運(yùn)動(dòng)變化。曲偉[15]等利用三大控制方程，模擬脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)情況，建立了理論模型，得總結(jié)出PHP 工質(zhì)的潛熱量是總傳熱量的30%等結(jié)論。

2.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型

Chang 和Lee[16]利用外源神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，介紹了一種分析頻域和時(shí)域內(nèi)脈動(dòng)熱管的熱動(dòng)力學(xué)方法，證明了在不同操作條件下，脈動(dòng)熱管的熱傳遞是非線性的。 鄂加強(qiáng)[17]等在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立“灰度”關(guān)聯(lián)模型， 其模擬結(jié)果與試驗(yàn)有很好的擬合度，僅有4%的誤差。

2.4 基于無量綱分析的半經(jīng)驗(yàn)方程模型

脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的復(fù)雜性、非線性和機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定性，使得直接模擬極為困難。 為此，許多學(xué)者在試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出預(yù)測(cè)熱管傳熱的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。 Khandekar 等提出應(yīng)用無量綱分析的脈動(dòng)熱管半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?在規(guī)定冷凝溫度與熱流密度時(shí)，利用該模型可計(jì)算對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度。 依托于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的關(guān)聯(lián)式，對(duì)熱管的傳熱能力預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

雖然以上多種模型被大量研究人員建立用來描述熱管的物理傳熱現(xiàn)象，但各類模型都存在其自身的局限性，因而都要滿足一定的要求才能使用這些模型。 脈動(dòng)熱管復(fù)雜的運(yùn)行機(jī)理任然需要學(xué)者們的不斷研究和探索。

3 總結(jié)及展望

近年來引起了極大的關(guān)注。 在實(shí)驗(yàn)研究中，研究人員考察了傳熱性能隨某些參數(shù)的變化趨勢(shì)。 同時(shí)，理論工作主要集中在對(duì)PHP 運(yùn)行機(jī)制的建模或仿真上。 兩種研究方法都取得了很大的成果。 本研究通過綜合文獻(xiàn)綜述，對(duì)PHP 的試驗(yàn)及理論研究現(xiàn)狀以及傳熱特性有了更深入的了解。 而PHP 技術(shù)的應(yīng)用及研究還存在一些需要解決的問題:

1）盡管已有大量關(guān)于氣-液兩相流的研究報(bào)告，但關(guān)注液-液系統(tǒng)的相對(duì)較少。

2）應(yīng)分析和建立績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)與影響因素之間的關(guān)系。

3）由于微電子器件尺寸小得多，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)微PHP 的研究，提高其在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

4）規(guī)模效應(yīng)和流體性質(zhì)的變化對(duì)PHP 的啟動(dòng)特性有很大的影響，而揭示這一問題的研究工作很少。