中低負荷下脈動熱管壁溫信號的分形特性分析

方海洲，楊洪海，王軍，李建華，鄒晶（東華大學環(huán)境學院，上海 201600）

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中低負荷下脈動熱管壁溫信號的分形特性分析

方海洲，楊洪海，王軍，李建華，鄒晶
（東華大學環(huán)境學院，上海 201600）

摘要：運用功率譜、小波分解、相空間重構、關聯(lián)維數(shù)計算等非線性分析方法對脈動熱管壁面溫度波動信號分析。表明：功率譜呈現(xiàn)連續(xù)譜線，時間序列存在自相似性，展現(xiàn)溫度波動信號的混沌行為；小波分解表現(xiàn)出溫度波動的分形特性；重構吸引子展現(xiàn)出4種不同的空間分形結構，說明溫度信號波動屬于分形下的混沌行為。計算分形維數(shù)與傳熱性能的關系，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在3～6個分形維；隨嵌入維數(shù)的增加，分形速度關系為R134a大于丙酮大于去離子水，基本表現(xiàn)為分形維數(shù)越大，傳熱性能越好。并發(fā)現(xiàn)關聯(lián)維和熱阻成負相關關系。

關鍵詞：脈動熱管；非線性動力學；分形；混沌；吸引子；功率譜；關聯(lián)維

2015-06-19收到初稿，2015-11-02收到修改稿。

聯(lián)系人：楊洪海。第一作者：方海洲（1991—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-06-19.

引　言

___脈動熱管（pulsating heat pipe，PHP）是由Akachi[1]提出的一種新型熱管，由毛細管呈蛇形彎折而成，因其結構簡單、無需機械動力且傳熱性能強等優(yōu)點而廣受重視。在實驗方面，主要是從管徑、充液率、傾斜角、工質(zhì)特性及可視化等方面進行研究等[2-9]。在理論方面，多數(shù)學者建立物理模型研究流動特性；崔曉鈺等[10]運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡研究傳熱性能；張紅等[11]從熱力學等角度分析管內(nèi)流動特性；方立德等[12-13]利用聲發(fā)射技術及近紅外技術進行流態(tài)識別，給管內(nèi)流動研究帶來新角度。脈動熱管雖結構簡單，但內(nèi)部氣液兩相流動和能量傳遞復雜，目前數(shù)學模型難以精確描述其運行特征；對于這種系統(tǒng)必須采用整體系統(tǒng)論思想和非線性數(shù)學工具加以研究。

徐進良等[14-15]通過非線性混沌分析表明管內(nèi)運動屬于混沌行為，說明關聯(lián)維數(shù)范圍2～3、4～5、6～9分別對應泡狀流、泡狀流和氣彈流交替的過渡流型以及彈狀流；Wu等[16]用非線性分析發(fā)現(xiàn)關聯(lián)維和Kolmogorov熵與熱阻呈負相關關系，進一步說明PHP內(nèi)的弱混沌行為；Li等[17]從熱管的啟動、穩(wěn)定運行和干燒3個角度加以描述混沌吸引。

文獻[18-19]研究兩相流以及三相流動沸騰的非線性特征，發(fā)現(xiàn)兩相及三相流具有混沌特性，且表現(xiàn)出多尺度性，為脈動熱管內(nèi)兩相振蕩流動非線性研究提供借鑒。諸多研究說明脈動熱管的混沌行為，但并沒有指出分形特性。本文將著重從分形特性的角度對熱管內(nèi)部傳熱特性進行研究，以期得出分形維數(shù)與傳熱的關系，更好理解PHP內(nèi)流動和傳熱的發(fā)生。文獻[20-21]表明時間常數(shù)是影響測量頻率的主要因素，衡量熱電偶動態(tài)特性的重要指標，確保時間常數(shù)的準確性具有重要意義。

1　實驗裝置

圖1為脈動熱管模型和附屬實驗裝置，系統(tǒng)主要由閉式脈動熱管測試件、溫度采集系統(tǒng)、電加熱和冷卻系統(tǒng)組成。

圖1　閉式脈動熱管實驗裝置示意圖Fig.1　Diagram of closed Loop PHP experimental setup

實驗脈動熱管測試件全長1384 mm，由外徑4.0 mm，內(nèi)徑2.7 mm的紫銅毛細管經(jīng)過彎曲而制成。垂直方向共6根平行管道，加熱端和冷凝段長度均為50 mm，蒸發(fā)端采用電加熱方式。加熱部分由穩(wěn)壓器、調(diào)壓器、電阻絲和功率表等組成，加熱功率精度可達0.1 W。采用安捷倫34970a數(shù)據(jù)采集儀，分辨率為0.01℃，其采樣頻率高達250通道/秒，極限溫度誤差為0.008%。本文采用1和10 Hz為采樣頻率，標定的“K”型熱電偶（直徑為0.5 mm，精度±0.5℃），時間常數(shù)為0.1 s。實驗每個工況采集時間為30 min左右，相鄰兩個工況間隔約4 h，脈動熱管測試件充液率均取55%傾角均為90°。由于紫銅的熱導率很高，內(nèi)外壁溫差遠小于熱電偶的精度，故可將測得的管外壁溫度近似看作內(nèi)壁溫度來處理。

2　實驗結果分析與討論

2.1分形特性描述

根據(jù)溫度時間序列，脈動熱管測試件在不同條件下，冷熱端的溫度情況都不同，溫度波動差別較大，因此分析蒸發(fā)端和冷凝端溫度，側(cè)重點在蒸發(fā)段溫度。

（1）時域分析

自相似性描述動力系統(tǒng)的過程在時間尺度上不會因為放大或縮小等操作而變化的特性。如圖2所示，以丙酮為工質(zhì)，在加熱負荷為50 W下冷熱段溫度時間序列。

從圖中均可得知熱管溫度在某個平均值作類周期運動。圖2(a)在記錄長程溫度序列中觀察到熱管在連續(xù)運行時,總體看似為周期波動，但通過10 Hz記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)溫度的波動是不規(guī)則的。圖2(b)展現(xiàn)冷熱段溫度此消彼長的波動形式，從時間序列中發(fā)現(xiàn)管內(nèi)的溫度波動是介于周期與隨機之間的一種運動。對圖2局部與整體比較發(fā)現(xiàn)溫度時間序列存在自相似性即分形特性，初步的判斷系統(tǒng)行為不是周期運動。

（2）頻域分析

功率譜的尖峰表示明確限定的分譜率，周期信號或準周期信號功率譜多由尖峰組成，功率譜的分析可以區(qū)分周期運動與混沌。

圖3(a)以丙酮為例（50 W，強制對流），熱端50 W、10 Hz數(shù)據(jù)通過小波分解，如圖3(b)所示，發(fā)現(xiàn)在許多尺度上小波系數(shù)看是相似的。另外，垂直軸線上顯示的線條是由信號的自相似性產(chǎn)生的，體現(xiàn)溫度波動的分形特性。溫度時間序列功率譜，從圖中發(fā)現(xiàn)，譜線呈現(xiàn)不同程度的寬峰和突出的窄帶和尖峰，具有寬帶頻譜特征，表現(xiàn)明顯的混沌特性。進一步對丙酮強制對流

圖2　脈動熱管冷熱段溫度時間序列圖Fig.2　Temperature time series diagram of evaporation and condensation for pulsating pipe

（3）吸引子分析

吸引子是從空間分形概念描述的，運用由單變量時間序列延遲時間的坐標法重構相空間，本文采用三維視圖。

如圖5(a)～(c)在3種典型熱負荷下的吸引子，對蒸發(fā)端溫度重構吸引子，發(fā)現(xiàn)同種工質(zhì)不同加熱負荷的吸引子不同，即存在不同的分形結構；對于熱負荷在50 W時呈現(xiàn)較好吸引子,表現(xiàn)良好的空間分形特性；10和90 W運動狀態(tài)點在相空間中分布較為分散，較之圖5(b)溫度波動較大，同樣表現(xiàn)混沌現(xiàn)象,但相對較弱。從圖5(b)、(d)發(fā)現(xiàn)不同工質(zhì)在其他條件相同的情況下表現(xiàn)不同的吸引子，說明兩者之間存在不同的混沌學特性。雖相圖呈現(xiàn)一定的結構，但規(guī)律性不清楚，從相圖中得不出其他更多的啟示。結合時域和頻域分析推斷脈動熱管傳熱系統(tǒng)是由分形轉(zhuǎn)向混沌。

圖3　譜分析效果圖Fig.3　Spectral analysis of rendering

2.2溫度時間序列的分形維分析

脈動熱管溫度序列存在混沌特性以及分形特性，表明溫度波動既有混沌又有分形的特征，分形維數(shù)是定量刻畫分形特征的參數(shù)，是分形最基本的特征。對于混沌吸引子而言，表征描述動力學系統(tǒng)最低的基本變量個數(shù)，因此分析分形維數(shù)與傳熱的關系顯的比較重要。分形維數(shù)存在多種計算方式，選用與混沌特性存在聯(lián)系的關聯(lián)維數(shù)（D2）作為分形維數(shù)，計算方法采用G-P程序算法[14]。

D2定義為

式中，Cr為關聯(lián)積分；N為時間序列個數(shù)；r為兩個向量的距離；τ為時間延遲。另外，為避免誤差熱阻采用局部熱阻R

式中，Te和Tc分別為蒸發(fā)段和冷凝段測點溫度；Q為加熱功率。

如圖5(a)所示，以丙酮為工質(zhì)（Q=20 W、強制對流，f=10 Hz），取熱端溫度計算得到的關聯(lián)積分與尺度的關系曲線。

圖4　溫度時間序列在相空間中的吸引子Fig.4　Reconstructed 3-D attractors of temperature time series at different power inputs (forced convection，delay time 30 s)

計算發(fā)現(xiàn)當嵌入維m增加到15時關聯(lián)積分出現(xiàn)3個明顯的線性區(qū)域，表明嵌入維增加到一定時曲線存在不同的線性區(qū)域即呈現(xiàn)多尺度性。同尺度線性區(qū)域的斜率隨嵌入維m的增大而增大，在m=15 與m=18之間發(fā)現(xiàn)線性區(qū)域斜率是一致的即混沌吸引子的關聯(lián)維達到飽和值。

小尺度高頻維描述小氣泡運動行為；中等尺度低頻維描述時間序列的小波動行為；大尺度的關聯(lián)維數(shù)描述大周期波動行為。小波動行為復雜，本文著重對中等尺度的小波動行為進行研究。關于尺度的界定，僅是ln(Cr)-ln r圖中對ln r值從小到大的一個線性區(qū)域劃分。計算不同尺度關聯(lián)維，發(fā)現(xiàn)中等尺度關聯(lián)維數(shù)最大，說明小波動行為影響因素多的特點，后文計算關聯(lián)維均采用中等尺度的維數(shù)值。

圖5(b)工況為50 W熱負荷強制對流，取中等尺度線性區(qū)域的關聯(lián)維。從空間分形速度角度可知，在中等熱負荷下隨嵌入維數(shù)的增加，3種工質(zhì)的關聯(lián)維呈現(xiàn)上升趨勢，且R134a增加速率大于丙酮，去離子水增長速率相對最小即增長速度ν(R134a)> ν(丙酮)>ν(去離子水)。

隨嵌入維數(shù)的增加關聯(lián)維數(shù)表現(xiàn)為先增后減，增加是由空間分形產(chǎn)生的，減少是由空間分形破裂導致的。由圖可知，存在最佳嵌入維數(shù)在m=12附近，關聯(lián)維數(shù)在3～6之間，此時最能展現(xiàn)分形特性。從宏觀的角度反映R134a對外界的影響最為敏感即影響因子較多，去離子水惰性最強。因而說明在較低熱負荷下R134a相比于丙酮和去離子水效果最好。

圖6　熱負荷對熱阻、關聯(lián)維的影響Fig.6　Effect of heat load on thermal resistance and D2

圖7　熱阻與關聯(lián)維在不同工質(zhì)下的變化趨勢Fig.7　Variation trend of thermal resistance and D2with different working fluids

2.3關聯(lián)維數(shù)對傳熱性能的影響

圖6比較丙酮和去離子水在不同熱負荷下熱端溫度關聯(lián)維和熱阻的變化。由圖6(a)可知熱負荷在10～30 W關聯(lián)維增加比較明顯，熱阻R減小，但減小的幅度有限，最后基本維持在0.17℃·W-1，在此間分形已逐漸接近混沌；30 W以后關聯(lián)維幾乎不變，說明此階段脈動熱管內(nèi)部混沌效應最佳，分形已充分展現(xiàn)。

隨負荷的增加，管內(nèi)的氣泡、管壁、流體等耦合因素不斷增加，關聯(lián)維將會增加。值得注意的是在5 W時熱阻和關聯(lián)維同樣很大，不同于其他情況，此時管內(nèi)相變傳熱流動紊亂，系統(tǒng)還沒有形成自組織，以致管內(nèi)運動變得異常復雜，使D2較大，并非由于分形導致。從圖6(b)可知，關聯(lián)維與熱阻呈現(xiàn)負相關關系，在10 W以后關聯(lián)維變化明顯，說明分形逐漸完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛煦缧袨?，當關聯(lián)維最大時，熱阻最小。圖6(a)在10 W以后呈現(xiàn)較好的負相關關系，可以確定關聯(lián)維與傳熱性能存在相關關系。

圖7給出不同工質(zhì)下關聯(lián)維和熱阻關系，圖7(a)發(fā)現(xiàn)在低熱負荷區(qū)段，總體上R134a關聯(lián)維大于丙酮和去離子水，R134a和丙酮的關聯(lián)維有相同的變化趨勢；且關聯(lián)維較高。而去離子水在較低熱負荷下關聯(lián)維較小，混沌效應不明顯，傳熱效果沒有R134a和丙酮的好，這與前文的分形速度趨勢相同，揭示分形對傳熱性能的影響。圖7(b)呈現(xiàn)3種工質(zhì)的熱阻變化情況，三者熱阻趨于相同，判斷在低熱負荷區(qū)段R134a性能要大于丙酮大于水。

值得注意的是，在加熱負荷從5 W到10 W，此間關聯(lián)維數(shù)和熱阻都有很大的變化，指示了熱管傳熱形式發(fā)生的變化并非分形帶來的影響。故而要判斷脈動熱管傳熱性能要進一步綜合觀察熱阻和關聯(lián)維的大小。

3　結　論

（1）對脈動熱管的溫度時間序列的分形特性分析表明，管內(nèi)的穩(wěn)定運行溫度波動行為具有自相似性，呈現(xiàn)出分形的特征，相空間體現(xiàn)出不同工況的空間分形結構特征，長程運行表現(xiàn)為分形走向混沌。

（2）隨嵌入維數(shù)的增加，關聯(lián)維數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，存在飽和關聯(lián)維數(shù)，即在嵌入維數(shù)為12時最能展現(xiàn)熱管的影響因子。隨嵌入維的增加，分形速度表現(xiàn)為R134a大于丙酮大于去離子水。

（3）在5～30 W熱負荷下，隨熱負荷的增加，脈動熱管呈現(xiàn)從低維到高維的轉(zhuǎn)變，關聯(lián)維與熱阻呈負相關關系。

（4）脈動熱管的傳熱性能與分形維數(shù)關系密切，分形特性體現(xiàn)了脈動熱管傳熱形態(tài)。但由于不同工況下分形維數(shù)的變化以及以丙酮和去離子水為工質(zhì)存在明顯的分形特性，故還需對分形結構作進一步分析。

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Fractal characteristics of temperature oscillation in pulsating heat pipe under medium-low load

FANG Haizhou，YANG Honghai，WANG Jun，LI Jianhua，ZOU Jing
(School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201600，China)

Abstract:Various method，including analyses of power spectrum，wavelet decomposition，pseudo-phase-plane trajectories and correlation dimension，were used to analyze the non-linear dynamics characteristics of temperature oscillation signal of pulsating heat pipes (PHPs). A continuous line，self-similarity were identified under different sampling frequency，and the chaotic behavior of temperature oscillation signal was shown by power spectrum diagram. Wavelet decomposition indicated fractal characteristics of temperature oscillation. Four types of attractors were identified under different power inputs，which showed different space fractal structure. It was found that the temperature fluctuations belong to fractal chaotic behavior. All of the calculated fractal dimension showed that the system existed 3—6 fractal dimension. With the increase of embedding dimension，the fractal speed relations as R134a was greater than acetone，and acetone was higher than deionized water. For most runs，the large correlation dimensions were corresponded to better thermal performance.

Key words:pulsating heat pipe; non-linear dynamics; fractal; chaos; attractor; power spectrum; correlation dimension

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20150957

中圖分類號：TH 137.8

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）04—1251—07

Corresponding author:YANG Honghai，yhh@dhu.edu.cn