脈動熱管的試驗及理論研究現狀

劉超翔

沈陽建筑大學市政與環境工程學院（110168）

0 引言

脈動熱管又稱振動熱管，相較于傳統熱管沒有毛細芯，工質依靠管內表面張力作用產生的毛細力回流。 因均溫性良好、傳熱效率高、結構簡單、易加工且造價成本低等特點引起了了世界范圍內研究者的廣泛關注。按照結構形式可將脈動熱管分為開放型回路和閉合型回路結構。

目前對脈動熱管的研究， 多以回路型PHP 為主，通過實驗、理論分析與建模等方法，對熱管的可視化、傳熱性能、強化傳熱技術及方法等方面開展學術研究。

1 試驗研究現狀

Khandekar[1]將影響脈動熱管傳熱特性的因素歸結為三類:①幾何參數:包括管徑、管徑截面形狀、彎頭數、蒸發段/冷凝段長度等；②物理參數:包括工質熱物性、充液率等；③操作參數:包括放置位置、加熱/冷卻方式等。 為了探究各因素對熱管傳熱性能的影響規律， 眾多研究人員對熱管開展試驗研究，總結出了各因素對脈動熱管傳熱特性的影響規律及結論。

曹小林[2]等通過對方形和三角形截面PHP 的研究，發現熱流密度小時三角形熱管性能優于方形熱管， 熱流密度大時界面形狀對傳熱極限影響不大。商福民[3]等對非均勻截面熱管的試驗測試，發現非均勻截面在特定條件下PHP 傳熱性能優于均勻性截面熱管。 王超[4]對三角形、梯形、矩形三種不同截面的熱管進行可視化研究，得出三角形及梯形截面PHP 的熱阻遠小于矩形截面熱管， 換熱系數更高；引入周期性縮擴變截面通道結構，試驗結果表明在熱負荷較高時，C 型縮擴變截面熱管的熱阻遠小于A、B 型截面，對流傳熱系數更高，傳熱性能更為優異。 充液率嚴重影響著脈動熱管的傳熱性能，取值范圍通常為20%～80%。 低充液率容易導致蒸發段出現“燒干”，充液率過大會使蒸發段形成的氣泡數減少，削弱熱管的震蕩效果，故熱管存在最佳的充液值。 陳貝貝[5]等對銅-乙烷脈動熱管進行試驗，發現最佳充液率為50%，且傳熱性能與充液率呈倒U 型曲線關系。 Miyazaki[6]等則認為脈動熱管的最佳充液率與加熱方式密切相關。

目前脈動熱管采用的工質主要有水、 電子冷卻液 FC72、丙酮、R123、乙醇、R141b、R134a 等。 陳靜妍[7]對七種工質的脈動熱管研究，結果表明低沸點和低汽化潛熱工質更有利于脈動熱管啟動的啟動效果，同時選用工質時還應考慮導熱系數、黏度以及表面張力等因素。 除純工質外，褚紅蕊[8]等對混合工質展開研究，結果表明，非共沸混合物是建立在恒壓、非熱的熱力學性質基礎上的，混合物的種類、配比和填充量與熱泵的工作特性密切相關， 以達到熱泵的最佳性能。

脈動熱管的傾斜角對熱管影響的啟動及運行特性，史維秀[9]等的試驗發現傾角為90°時，傳熱熱阻最低，運行效果最好，理想的傾斜角度是30°～90°，水平放置時容易出現“燒干”現象。

趙佳騰[10]等對不同彎頭數的研究發現，在彎頭數目相同時， 熱阻大小與加熱功率大小呈負相關系，加熱功率不變時，熱阻大小與加彎頭的數量呈正相關。現階段對于脈動熱管傳熱特性的試驗研究比較豐富，但由于脈動熱管運行過程的復雜和流動的隨機性以及試驗研究對象的差異，對某些運行機理尚不明確，需要更多的試驗測試來完善對脈動熱管的認識，為該技術的優化及發展應用打下堅實的基礎。

2 理論與數值分析研究現狀

在脈動熱管的理論研究過程中，涉及毛細力學、傳熱學、熱力學、流體力學等多門學科，可將現階段的理論研究現狀分為4 類理論模型:

2.1 “彈簧- 質量- 阻尼系統”模型

Zuo[11]等將氣塞模擬成彈簧，對液塞進行受力分析，建立了“單彈簧-質量-阻尼”模型，而由于該模型過于簡化， 沒有考慮表面張力及液膜的作用，模擬與試驗觀測差別較大。Wong[12]等在該模型的基礎上聯立每組氣塞、液塞，建立“多彈簧-質量-阻尼系統”模型，極大地簡化了管內工質的運動特征，但傳熱和相變過程未加以考慮，偏離物理實際，所以缺乏實際應用價值。Ma[13]等利用Laplace 變換，考慮熱摩擦力和驅動力的作用，改進了“彈簧-質量-阻尼系統”模型，獲得了氣、液塞位移的解析解，模擬結果與實驗較為吻合，然而，由于該模型忽略了液膜蒸發遷移及表面張力等影響因素，不能準確描述熱管的物理規律。 而Nikolayev[14]等基于氣、液塞單元的質量、 動量和能量守恒方程所建立的數學模型，能更好的闡述重力、表面張力和液膜蒸發相變傳熱過程的作用。

2.2 基于容積控制法的數學模型

不少學者借助Fluent 軟件， 通過VOF 方法描述脈動熱管內氣、液界面的位置和運動變化。曲偉[15]等利用三大控制方程，模擬脈動熱管內工質的流動情況，建立了理論模型，得總結出PHP 工質的潛熱量是總傳熱量的30%等結論。

2.3 基于神經網絡的數學模型

Chang 和Lee[16]利用外源神經網絡，介紹了一種分析頻域和時域內脈動熱管的熱動力學方法，證明了在不同操作條件下，脈動熱管的熱傳遞是非線性的。 鄂加強[17]等在人工神經網絡基礎上建立“灰度”關聯模型， 其模擬結果與試驗有很好的擬合度，僅有4%的誤差。

2.4 基于無量綱分析的半經驗方程模型

脈動熱管內工質流動的復雜性、非線性和機構不穩定性，使得直接模擬極為困難。 為此，許多學者在試驗經驗的基礎上總結出預測熱管傳熱的半經驗關聯式。 Khandekar 等提出應用無量綱分析的脈動熱管半經驗模型， 在規定冷凝溫度與熱流密度時，利用該模型可計算對應的蒸發溫度。 依托于大量試驗數據擬合得到的關聯式，對熱管的傳熱能力預測較為準確，與試驗結果吻合度較高。

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。 脈動熱管復雜的運行機理任然需要學者們的不斷研究和探索。

3 總結及展望

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

1）盡管已有大量關于氣-液兩相流的研究報告，但關注液-液系統的相對較少。

2）應分析和建立績效評價指標與影響因素之間的關系。

3）由于微電子器件尺寸小得多，有必要進一步加強微PHP 的研究，提高其在微電子領域的應用。

4）規模效應和流體性質的變化對PHP 的啟動特性有很大的影響，而揭示這一問題的研究工作很少。