單回路液氦脈動熱管氣液兩相流數(shù)值模擬

呂秉坤 徐 冬 王 維 施雅然 信紀軍 方志春 李來風(fēng)

(1 松山湖材料實驗室 東莞 523808)

(2 中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點實驗室(理化技術(shù)研究所)北京 100190)

1 引言

脈動熱管(Pulsating Heat Pipe,PHP)是20 世紀90 年代出現(xiàn)的一種新型熱管,由日本的Akachi 最早提出。它是將一根內(nèi)徑較小(一般為0.5—3 mm)的毛細管在蒸發(fā)段和冷凝段之間反復(fù)彎折并將首尾連接形成的蛇形結(jié)構(gòu),其余部分為絕熱段。其工作原理是將管內(nèi)抽成真空后充入工作介質(zhì),由于管徑足夠小,在表面張力的作用下,接近飽和態(tài)的兩相流體工質(zhì)在毛細管內(nèi)以氣塞和液塞的形式隨機交替分布。當管的一端(蒸發(fā)段)被加熱時,工質(zhì)吸熱導(dǎo)致氣泡生長和蒸氣壓力的增大;與此同時,氣泡在另一端(冷凝段)凝結(jié),氣泡會收縮破裂,壓力下降。氣泡的生長和破裂導(dǎo)致蒸發(fā)段和冷凝段存在壓差以及相鄰管子之間存在壓力不平衡,從而推動工質(zhì)在管內(nèi)脈動運動或單向循環(huán)流動,通過氣液相變的潛熱和液塞流動時的顯熱傳遞熱量。

脈動熱管由于其結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、可靠、靈活、無噪聲且耐用,經(jīng)過優(yōu)化還可實現(xiàn)無重力運行,已經(jīng)成為最具創(chuàng)新性、有效性的兩相換熱系統(tǒng)之一,在微電子領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,例如太陽能利用、電子設(shè)備冷卻、空間熱管理和余熱回收等。在低溫領(lǐng)域,脈動熱管在超導(dǎo)磁體高效冷卻應(yīng)用中也有很大的潛力。

雖然脈動熱管的結(jié)構(gòu)非常簡單,但由于脈動熱管傳熱傳質(zhì)過程中流體力學(xué)和熱力學(xué)的耦合作用,使得脈動熱管的運行機制非常復(fù)雜。……