脈動(dòng)熱管內(nèi)流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)數(shù)值研究

劉建紅+商福民

摘 要：文章采用Mixture模型對(duì)脈動(dòng)熱管內(nèi)的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明脈動(dòng)熱管在1s時(shí)刻已經(jīng)熱啟，在5s時(shí)刻已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。從氣相的體積分?jǐn)?shù)云圖看到熱管內(nèi)出現(xiàn)小氣泡聚合成大氣泡，并逐漸形成液塞與氣柱的現(xiàn)象，從氣相速度云圖中看出脈動(dòng)熱管內(nèi)呈穩(wěn)定的振蕩流運(yùn)動(dòng)，且氣液兩相運(yùn)行速度相對(duì)穩(wěn)定，其數(shù)值模擬結(jié)果能為脈動(dòng)熱管的運(yùn)行機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Mixture模型；脈動(dòng)熱管；振蕩流

引言

隨著計(jì)算機(jī)等電子科技產(chǎn)品逐漸朝小型化、多功能化、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，更加迫切需要低功耗、低成本的新型散熱元件，傳統(tǒng)傳熱裝置多有賴于增強(qiáng)空氣的對(duì)流散熱效果，已不能滿足實(shí)際需要。脈動(dòng)熱管[1-3]具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行高效、可在多種重力環(huán)境下工作特點(diǎn)的振蕩熱管必將在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，脈動(dòng)熱管發(fā)展時(shí)間不長，因而對(duì)它的研討還處于初步階段，論文相對(duì)較少。目前各國學(xué)者對(duì)脈動(dòng)熱管的研討主要以實(shí)驗(yàn)為主[4-5]，主要是為了研究它的操作過程和現(xiàn)象，研究管徑[6]、加熱位置[7]、管內(nèi)工質(zhì)[8]、充液率[9]等因素對(duì)脈動(dòng)熱管運(yùn)行和傳熱效果的影響。數(shù)值模擬作為現(xiàn)代物理研究的一個(gè)重要手段，被越來越多的應(yīng)用到科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，因有良好的可視化結(jié)論和精確的數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)碚摵蛯?shí)驗(yàn)研究方式進(jìn)行有效補(bǔ)充，使彼此相互印證。本文采用混合模型（Mixture Model）模擬脈動(dòng)熱管內(nèi)傳熱和流動(dòng)現(xiàn)象，揭示氣液兩相流速度場分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1 幾何物理模型和數(shù)學(xué)模型

1.1 幾何模型和邊界條件

本文以文獻(xiàn)[10]的實(shí)驗(yàn)臺(tái)為依據(jù)，建立二維幾何模型，內(nèi)徑為0.004m，高為1m。管壁材質(zhì)為紫銅，脈動(dòng)熱管內(nèi)抽真空后充入59.82%的無水乙醇，因脈動(dòng)熱管為規(guī)則結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分時(shí)并未采取分區(qū)和局部加密方式，整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格，生成網(wǎng)格數(shù)大約為200000。

邊界條件時(shí)是把脈動(dòng)熱管劃分為四個(gè)區(qū)域，分別是下部為蒸發(fā)段，加熱溫度設(shè)置為573K，兩邊為絕熱段，熱流密度為0，上部為冷凝段，設(shè)置冷凝溫度為372K。

1.2 數(shù)學(xué)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(jì)算兩相或多相流中各相以不同速度運(yùn)動(dòng)的流體問題。通過求解混合相的連續(xù)性方程、第二相的體積分?jǐn)?shù)方程，以及相對(duì)速度的代數(shù)表示來實(shí)現(xiàn)多相流體的模擬計(jì)算。

守恒方程：

2 計(jì)算結(jié)果的分析與討論

2.1 不同時(shí)刻氣相體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖2中分別為Mixture模型在1s、5s、10s時(shí)的氣相體體積分?jǐn)?shù)分布云圖，從圖中可以看出：在1s時(shí)刻只在在脈動(dòng)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(jìn)行，氣相逐漸充斥在脈動(dòng)的各個(gè)部分，氣液兩相互相夾帶，混合流動(dòng)，5s時(shí)刻氣液兩相相互夾帶、混合流動(dòng)，隨時(shí)間增加在10s時(shí)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(dòng)過程中液塞與氣柱交替出現(xiàn)，形成活塞式流動(dòng)，并且逐漸達(dá)到穩(wěn)定。說明隨著時(shí)間的進(jìn)行，液相無水乙醇在脈動(dòng)熱管的蒸發(fā)段吸收熱量，迅速氣化并膨脹，壓力增大，向冷凝段運(yùn)動(dòng)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(dòng)熱管內(nèi)的無水乙醇產(chǎn)生強(qiáng)烈的往復(fù)振蕩流動(dòng)，往往頻率也大，釋放的熱量就會(huì)越多。

2.2 不同時(shí)刻氣相體積分?jǐn)?shù)比較

圖3為不同時(shí)刻氣相體積分?jǐn)?shù)沿脈動(dòng)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(dòng)熱管內(nèi)形成明顯的汽-液柱塞交錯(cuò)分布，另外從圖中可以看出在1s時(shí)刻脈動(dòng)熱管內(nèi)已經(jīng)呈現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，這也是脈動(dòng)熱管的一大優(yōu)點(diǎn)，熱傳遞迅速。相對(duì)其他時(shí)刻，10s時(shí)刻氣體體積分?jǐn)?shù)上升的波峰區(qū)間更廣，且波峰較高，振蕩頻率增大，說明此時(shí)脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液相應(yīng)經(jīng)呈現(xiàn)劇烈的往復(fù)振蕩流動(dòng)。

2.3 不同時(shí)刻氣相速度云圖比較

圖4中分別為Mixture模型在不同時(shí)刻氣相速度等值線在脈動(dòng)熱管內(nèi)分布，通過比較可以明顯看出1s時(shí)刻氣相在脈動(dòng)熱管中間部分氣相速度很小，而在脈動(dòng)熱管的冷凝段達(dá)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(shí)間的進(jìn)行，5s時(shí)刻和10s時(shí)刻氣相的速度場變化不大，氣相速度云圖逐漸充斥整個(gè)脈動(dòng)熱管段，并趨于均與分布，說明脈動(dòng)熱管在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的振蕩流動(dòng)。

2.4 不同時(shí)刻間氣體速度比較

圖5為Mixture模型在不同時(shí)刻的氣相速度沿脈動(dòng)熱管中軸線分布，可以看出不同時(shí)刻的速度曲線均呈波動(dòng)形狀，10s時(shí)刻的波形圖最為穩(wěn)定，幾乎呈現(xiàn)對(duì)稱分布，說明此時(shí)脈動(dòng)熱管內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定的氣液兩相交替存在，并往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從1s到5s氣體速度明顯增長，在第5s時(shí)刻氣相速度曲線就已基本達(dá)到穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

本文采用Mixture模型對(duì)脈動(dòng)熱管內(nèi)的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值研究，通過脈動(dòng)熱管內(nèi)的氣相的體積分?jǐn)?shù)云圖和氣相速度云圖分析得出，脈動(dòng)熱管在1s時(shí)刻已經(jīng)熱啟，在5s時(shí)刻已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。從氣相的體積分?jǐn)?shù)云圖看到熱管內(nèi)出現(xiàn)小氣泡聚合成大氣泡，并逐漸形成液塞與氣柱的現(xiàn)象，從氣相速度云圖中看出脈動(dòng)熱管內(nèi)呈穩(wěn)定的振蕩流運(yùn)動(dòng)，且氣液兩相運(yùn)行速度相對(duì)穩(wěn)定，其數(shù)值模擬結(jié)果能為脈動(dòng)熱管的運(yùn)行機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Akachi H， Polasek F， Stulc P. Pulsating heat pipes [C].5th International Heat Pipe Symposium， Melbourne， Australia， 1996， 208-217.

[2]Chai Benyin， Li Xuanyou， Zhou Shenjie， et al. Experimental Study On Energy Thrift in a Fluidized-bed Dryer with Self-excited Mode Oscillating Flow Heat Pipe（SEMOS heat pipe） [C]. Hong Kong， China： Proceeding of The 5th Asia-Pacific Drying Conference， 2007，601-607.

[3]Rittidech S， Dangetonw， Soponronnarit S. Closed-ended Oscillating Heat-pipe （CEO HP） Air-preheater For Energy Thrift in A Dryer [J]. Applied Energy， 2005，81（2）： 198-208.

[4]涂福炳，高晟揚(yáng)，劉慶 ，等.徑向熱管傳熱機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（44）：2109-2112.

[5]孔方明，夏侯國偉，謝明付.平板脈動(dòng)熱管傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].廣東化工，2014，41（6）：145-146.

[6]商福民，劉登瀛，冼海珍，等.采用不等徑結(jié)構(gòu)自激振蕩流熱管實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱[J].動(dòng)力工程，2008，28（1）：100-103.

[7]商福民，劉登瀛，冼海珍，等.不同加熱位置對(duì)振蕩熱管傳熱性能的影響[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（10）：1731-1734.

[8]振蕩熱管內(nèi)不同形態(tài)納米顆粒流動(dòng)及傳熱特性[J].化工學(xué)報(bào)，2007，58（9）：2200-2204（EI）.

[9]梁玉輝，李惟毅，史維秀.傾角及充液率對(duì)并聯(lián)式脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62（S2）：46-51.

[10]劉建紅，商福民，劉登瀛.脈動(dòng)熱管間協(xié)同耦合強(qiáng)化傳熱特性實(shí)驗(yàn)分析[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62（6）：1549-1553.

作者簡介：劉建紅（1979-），女，漢族，碩士研究生，主要從強(qiáng)化傳熱，傳熱傳質(zhì)流動(dòng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究工作。