小型熱虹吸管脈動(dòng)流動(dòng)傳熱特性的可視化實(shí)驗(yàn)研究

禹法文 劉向東 張程賓

(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(2揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 揚(yáng)州 225127)

小型熱虹吸管脈動(dòng)流動(dòng)傳熱特性的可視化實(shí)驗(yàn)研究

禹法文1劉向東2張程賓1

(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(2揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 揚(yáng)州 225127)

采用高速顯微成像系統(tǒng)對(duì)小型熱虹吸管中氣液兩相流型演化進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究,并對(duì)其脈動(dòng)流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了分析討論．研究結(jié)果表明,在兩端壓差和重力的耦合作用下,液塞的隨機(jī)形成和沿槽道方向的脈動(dòng)是脈動(dòng)流動(dòng)的典型特征．塞狀流和環(huán)狀流是小型熱虹吸管脈動(dòng)情況下的主要流型,液塞的脈動(dòng)速度約為-1.5 ～1.5 m/s．對(duì)于脈動(dòng)流工況,在啟動(dòng)過程中管壁導(dǎo)熱和氣液兩相的膜態(tài)蒸發(fā)、膜態(tài)冷凝是小型熱虹吸管的主要傳熱方式,該過程中熱虹吸管的壁面溫度持續(xù)升高,未出現(xiàn)溫度波動(dòng);脈動(dòng)啟動(dòng)后,小型熱虹吸管內(nèi)出現(xiàn)了液塞的隨機(jī)形成和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)交替沖刷壁面現(xiàn)象,此過程中小型熱虹吸管主要靠對(duì)流蒸發(fā)、冷凝實(shí)現(xiàn)熱量傳遞,且各段壁面溫度皆表現(xiàn)出脈動(dòng)特性．

熱虹吸管;兩相流動(dòng);傳熱;可視化

Abstract: The gas-liquid two-phase flow evolutions in a miniaturized two-phase thermosyphon were experimentally investigated by a high-speed microscopic visualization system. And the performances of oscillation flow and heat transfer in a miniaturized two-phase thermosyphon were analyzed. The results indicate that, the random formation and the oscillation of the liquid plugs are the typical features of the oscillation state under the coupling effects of the pressure difference and the gravity. The plug flow and the annular flow are the typical flow patterns of the miniaturized two-phase thermosyphon in oscillation state, and the oscillation velocity of the liquid plug is from -1.5 to 1.5 m/s. The heat transfer regimes are the film evaporation and the condensation combined with thermal conduction of the wall in the oscillation state at start-up stage of the miniaturized two-phase thermosyphon, in which the wall temperature rises continuously without fluctuation. After the start-up stage, accompanied with the random formation and oscillation of the liquid plugs, the temperature oscillations are observed at the wall temperatures of evaporator, adiabatic and condenser sections, and the heat transfer regime is the forced evaporation and the condensation in oscillation state.

Keywords: two-phase thermosyphon; two-phase flow; heat transfer; visualization

高熱流電子元器件散熱技術(shù)是微電子領(lǐng)域面臨的重要難題[1-2]．在受限空間結(jié)構(gòu)中,迫切需要發(fā)展小型化、無泵驅(qū)動(dòng)的新型高效熱控器件．盡管微熱管技術(shù)在一定程度上滿足了電子器件體積微型化和熱流密度持續(xù)增大的需求[3-4],但太小的通道尺寸和較高的加工成本制約了微熱管在高新技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用．小型熱虹吸管優(yōu)良的傳熱性能很好地滿足了有限空間內(nèi)熱控設(shè)備小型化、溫度均勻性及無泵驅(qū)動(dòng)的需求[5]．

受熱控對(duì)象工作環(huán)境的限制,很多工況下熱管要在傾斜狀態(tài)下工作．隨著熱管工作傾角的變化,重力對(duì)液相由冷凝段向蒸發(fā)段回流輔助作用的改變會(huì)對(duì)熱管的傳熱性能產(chǎn)生重要影響．Moon等[6]對(duì)三角形截面微細(xì)槽道熱管傳熱性能的研究發(fā)現(xiàn),受重力對(duì)液相回流的影響,蒸發(fā)端在熱管下部的傳熱極限大于蒸發(fā)端在上部的傳熱極限．Cao等[7]實(shí)驗(yàn)研究了寬度分別為 0.1和0.12 mm,深為0.25 mm的2個(gè)銅-水熱管的傳熱能力．研究表明,蒸發(fā)端在下部垂直放置的熱管等溫性優(yōu)于水平放置的情況,垂直放置的熱管較水平放置有更大的傳熱能力．

隨著熱管尺寸的減小,尺度效應(yīng)對(duì)熱虹吸管的兩相流型演化和流動(dòng)不穩(wěn)定性有著重要影響[8-9]．可視化實(shí)驗(yàn)已成為分析熱虹吸管流型演化機(jī)理和尺度效應(yīng)的優(yōu)選手段．近年來,盡管對(duì)靠毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的微熱管[10]和靠重力驅(qū)動(dòng)的常規(guī)兩相熱管[11]的流型演化方面已開展了大量可視化實(shí)驗(yàn)研究,但小型熱虹吸管熱動(dòng)力學(xué)行為的可視化實(shí)驗(yàn)研究還較少．Chen等[12]的研究表明,在重力、表面張力和慣性力耦合作用下,小型熱虹吸管內(nèi)出現(xiàn)了以氣液兩相塞狀流動(dòng)為典型特征的脈動(dòng)流．目前,小型熱虹吸管的流型及傳熱特性可視化實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)還很缺乏,尤其是對(duì)垂直狀態(tài)小型熱虹吸管脈動(dòng)流工作模式及其機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠．

為深入理解小型熱虹吸管脈動(dòng)狀態(tài)的流型演變和傳熱特性,本文借助顯微成像系統(tǒng)對(duì)脈動(dòng)流狀態(tài)的氣液兩相分布進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究,分析討論了脈動(dòng)流狀態(tài)的氣液兩相流型演化機(jī)理和傳熱特性,進(jìn)一步揭示了小型熱虹吸管氣液兩相脈動(dòng)流動(dòng)的傳熱機(jī)理．

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為小型熱虹吸管氣液兩相流動(dòng)與傳熱可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖．該系統(tǒng)由小型熱虹吸管、電加熱裝置、冷卻裝置、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置及視頻拍攝裝置組成．在一塊鋁制基板上刻出截面為正方形(邊長為1 mm)、軸向長度為67 mm的平行槽道,并在上方壓覆一塊6 mm厚度的透明鋼化玻璃板制成小型熱虹吸管．實(shí)驗(yàn)工質(zhì)選用乙醇．實(shí)驗(yàn)過程中,小型熱虹吸管的蒸發(fā)段在下端,蒸發(fā)段采用壁面貼附電加熱膜來模擬外部熱源加熱,不同加熱功率通過調(diào)節(jié)電加熱膜的輸入電壓獲得．采用恒溫水浴提供的20 ℃恒溫水從熱虹吸管基板背面對(duì)冷凝段進(jìn)行冷卻．在蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段分別布置了3個(gè)測溫點(diǎn),采用K型熱電偶(OMEGA, 測溫探頭尺寸0.1 mm, 測溫精度 ±1.1 ℃)實(shí)時(shí)測量,并用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀(34970A,Agilent)記錄熱虹吸管的壁面溫度,熱電偶的布置見圖1．小槽道內(nèi)的氣液兩相分布信息采用Photron Fastcam SA4型高速攝像儀記錄,本實(shí)驗(yàn)中高速攝像儀的拍攝頻率設(shè)為500幀/s,像素分辨率為1 024×1 024像素．

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖(單位:mm)

為減少實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)段的熱量損失,整個(gè)實(shí)驗(yàn)段除可視化觀測面外均通過包裹保溫棉進(jìn)行絕熱保溫．實(shí)驗(yàn)過程中,實(shí)驗(yàn)段向環(huán)境散熱的熱損失采用Churchill 等[13]提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算,經(jīng)計(jì)算本實(shí)驗(yàn)中不同加熱功率實(shí)驗(yàn)段向環(huán)境散熱的熱損失均小于3%．

2 兩相流型及傳熱特性

2.1 兩相流型

基于上述實(shí)驗(yàn)裝置,采用高速顯微成像系統(tǒng)對(duì)小型熱虹吸管工作過程中的氣液兩相流型演化進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究．實(shí)驗(yàn)觀測表明,隨著熱負(fù)荷的增大,小型熱虹吸管內(nèi)的工質(zhì)先后經(jīng)歷了池狀流、脈動(dòng)流和環(huán)狀流．在低熱負(fù)荷、垂直狀態(tài)下小型熱虹吸管內(nèi)除少部分液相工質(zhì)在表面張力作用下分布在槽道的邊角區(qū)域外,其他大部分工質(zhì)在重力作用下分布在熱虹吸管的底部形成池狀流,如圖2(a)所示．在較高熱負(fù)荷情況下,小槽道內(nèi)液相工質(zhì)由低熱負(fù)荷的池狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)狀態(tài)(見圖2(b))．該情況下,兩相界面的蒸發(fā)量、冷凝量增大,蒸發(fā)段和冷凝段的蒸氣壓力差成為液塞形成的推動(dòng)力,液塞在兩端蒸汽壓力差和重力的耦合作用下呈現(xiàn)出兩相的快速脈動(dòng)．塞狀流是脈動(dòng)流情況下的典型流型．隨著熱負(fù)荷的增大,毛細(xì)管內(nèi)的液塞消失,小型兩相熱管由兩相的脈動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為環(huán)狀流狀態(tài),見圖2(c),此時(shí)蒸汽充滿槽道的中心區(qū)域,液相在表面張力和重力作用下分布在槽道的尖角處,槽道壁面也被薄的液層覆蓋．環(huán)狀流狀態(tài)是高熱負(fù)荷工況小型熱虹吸管的典型狀態(tài)．

(a) 池狀流

(c) 環(huán)狀流

2.2 脈動(dòng)啟動(dòng)過程分析

在熱負(fù)荷Q=33.2 W工況下,小型熱虹吸管內(nèi)氣液兩相工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)變化過程見圖3．在對(duì)蒸發(fā)段施加一定的熱負(fù)荷后,蒸發(fā)段氣液界面液相的蒸發(fā)和在冷凝段氣液界面飽和氣相的冷凝使得蒸發(fā)段和冷凝段存在一定的蒸汽壓差．當(dāng)工質(zhì)溫度達(dá)到相應(yīng)壓力的沸點(diǎn)時(shí),蒸發(fā)段液相工質(zhì)的蒸發(fā)量迅速增加,此時(shí)蒸發(fā)段液相在兩端壓力差作用下由靜止?fàn)顟B(tài)向冷凝段加速運(yùn)動(dòng),伴隨著液塞運(yùn)動(dòng)過程中氣液兩相的重新分配和蒸發(fā)段氣液界面的快速蒸發(fā),運(yùn)動(dòng)液塞的長度逐漸縮短(見圖3(a))．

(a) 兩相流型隨時(shí)間的變化

(b) 液塞速度隨時(shí)間的變化

在絕熱段,較大流速的蒸汽沖破較短長度的液塞,造成液塞的消失,蒸發(fā)段蒸發(fā)產(chǎn)生的氣相沿槽道的中心區(qū)域向冷凝段快速運(yùn)動(dòng),同時(shí)冷凝段形成的冷凝液相在重力和表面張力作用下沿槽道的邊角區(qū)域由冷凝端回流到熱虹吸管下部的蒸發(fā)端,覆蓋在熱虹吸管槽道表面的液膜厚度逐漸增厚．當(dāng)蒸發(fā)段下部的液膜厚度與槽道截面尺度相當(dāng)時(shí),在蒸發(fā)段下部形成長度較短的新液塞．新形成液塞在兩端蒸汽壓差作用下由蒸發(fā)段向冷凝段運(yùn)動(dòng),在液塞上升過程中由于液塞對(duì)其上部冷凝液相的收集作用，液塞長度逐漸變長．在液塞由蒸發(fā)段向冷凝段運(yùn)動(dòng)過程中,冷凝段氣相被壓縮，冷凝段的氣相壓力增大,蒸發(fā)段氣相壓力逐漸減小,同時(shí)液塞長度增大導(dǎo)致的重力增加也使得液塞向上運(yùn)動(dòng)的速度逐漸減小，直到速度減小為零．隨后液塞又在上下兩端壓力差和重力作用下由冷凝段向蒸發(fā)段加速運(yùn)動(dòng)．小型熱虹吸管內(nèi)液塞在蒸發(fā)端和冷凝端之間的快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成了兩相的快速脈動(dòng)．圖3(b)給出了脈動(dòng)流啟動(dòng)過程中液塞速度的變化,由圖可知,液塞由靜止?fàn)顟B(tài)從蒸發(fā)段向冷凝段運(yùn)動(dòng)過程中速度逐漸增大(t1-t4段),液塞在向上運(yùn)動(dòng)過程中長度變短并被一定速度的氣流沖破后導(dǎo)致液塞消失(t4-t5),新液塞形成后液塞在壓力差和重力的耦合作用下在蒸發(fā)段和冷凝段之間來回運(yùn)動(dòng)形成兩相的脈動(dòng)(t5-t14)．小型熱虹吸管內(nèi)氣液兩相脈動(dòng)過程的實(shí)質(zhì)是在兩端壓力差和重力耦合作用下液塞的隨機(jī)形成和脈動(dòng)．圖3(b)表明,脈動(dòng)狀態(tài)下液塞的脈動(dòng)速度出現(xiàn)不規(guī)律波動(dòng),液塞脈動(dòng)速度約在-1.5～1.5 m/s之間．

2.3 脈動(dòng)流型及界面演化過程分析

在脈動(dòng)流工況下,小型熱虹吸管壁面不斷被快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液塞沖刷．伴隨著兩相界面復(fù)雜的蒸發(fā)、冷凝過程,在液塞沖刷壁面過程中覆蓋在熱虹吸管壁面的液膜重新分布,該過程中液塞長度也不斷變化．較高熱負(fù)荷情況下,蒸發(fā)段氣相生成量較大,熱虹吸管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)較高,蒸發(fā)段液膜增厚形成的液塞易被足夠大流速的氣相沖破導(dǎo)致液塞消失,此時(shí)較高流速的氣相充滿了蒸發(fā)段和絕熱段槽道的中間區(qū)域,液相在表面張力作用下分布在矩形槽道的邊角區(qū)域．塞狀流和環(huán)狀流是小型熱虹吸管脈動(dòng)狀態(tài)的主要流型．脈動(dòng)流工況下,隨機(jī)形成的液塞在蒸汽壓差和重力作用下沿?zé)岷缥懿鄣婪较蛟谡舭l(fā)段和冷凝段之間來回運(yùn)動(dòng)．

小型熱虹吸管達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí),冷凝段未及時(shí)回流到蒸發(fā)段的部分冷凝液在冷凝段形成了一定長度的液塞(見圖4(a))．蒸汽占據(jù)了槽道的中心區(qū)域,飽和氣相在冷凝段冷凝形成的冷凝液相在表面張力和重力作用下沿槽道的邊角區(qū)域回流到蒸發(fā)段．受熱虹吸管軸向蒸汽壓力差變化的影響,冷凝段液塞呈現(xiàn)小幅度的上下脈動(dòng)．冷凝液相由冷凝段向蒸發(fā)段的回流造成了蒸發(fā)段上部液膜厚度的不斷增大,因此槽道截面環(huán)向液膜逐漸增厚并在表面張力作用下在蒸發(fā)段下端合并為液柱，并形成新的液塞(見圖4(c))．新形成的液塞在上下端蒸汽壓力差作用下快速向冷凝端運(yùn)動(dòng)．在液塞由蒸發(fā)段向冷凝段運(yùn)動(dòng)過程中,液塞常被足夠大流速的蒸汽沖破而造成蒸發(fā)段上升液塞的消失(見圖4(b)),此時(shí)熱虹吸管呈現(xiàn)環(huán)狀流．

2.4 溫度脈動(dòng)分析

壁面溫度隨時(shí)間的變化特性是小型熱虹吸管傳熱特性的反映,脈動(dòng)流狀態(tài)下,不同溫度的氣、液兩相對(duì)壁面的間歇沖刷作用導(dǎo)致了小型熱虹吸管壁面溫度的變化．圖5為脈動(dòng)流情況下小型熱虹吸管蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段壁面溫度隨時(shí)間的變化．

(a) 冷凝段

(b) 絕熱段

(c) 蒸發(fā)段

圖4兩相流型演化過程(工作傾角θ=90°,乙醇,φ=20.5%,Q=33.2W)

圖5 小型熱虹吸管壁面溫度隨時(shí)間變化(θ=90°,乙醇,φ=20.5%,Q=33.2 W)

脈動(dòng)流啟動(dòng)階段,熱虹吸管壁面過熱度較小,壁面過熱度未達(dá)到沸騰起始條件，兩相脈動(dòng)未啟動(dòng),工質(zhì)的相變傳熱能力較弱,熱虹吸管通過壁面軸向?qū)岷蜌庖簝上嘟缑娴哪B(tài)蒸發(fā)、冷凝實(shí)現(xiàn)熱質(zhì)交換,該過程中熱虹吸管的壁面溫度持續(xù)升高(見圖5)．

當(dāng)工質(zhì)溫度達(dá)到相應(yīng)壓力的沸點(diǎn)時(shí)蒸發(fā)段液相工質(zhì)的蒸發(fā)量迅速增加,蒸發(fā)段液塞在其兩端蒸汽壓差作用下由蒸發(fā)段快速向冷凝段運(yùn)動(dòng),伴隨著液塞向上運(yùn)動(dòng)過程中氣液兩相的重新分配和氣液界面的蒸發(fā)作用液塞變短并消失,該過程中絕熱段和冷凝段壁面在蒸發(fā)段液塞的沖刷作用下溫度出現(xiàn)突升,蒸發(fā)段氣液界面處液相的快速蒸發(fā)也造成了蒸發(fā)段壁面溫度的驟降(見圖5)．回流到蒸發(fā)段的液相在表面張力作用下在蒸發(fā)段下端形成新液塞,并在重力和蒸汽壓差作用下在熱虹吸管的蒸發(fā)段和冷凝段之間來回脈動(dòng),此時(shí)小型熱虹吸管達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定脈動(dòng)狀態(tài)．在蒸汽和液塞對(duì)小型熱虹吸管壁面的交替沖刷作用下,小型熱虹吸管蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段的壁面溫度皆表現(xiàn)出脈動(dòng)特性．

3 結(jié)論

1) 受熱虹吸管尺度小型化和工作過程中不平衡蒸汽壓力差的影響,除常規(guī)尺度重力熱管具有的池狀流和環(huán)狀流外,小型熱虹吸管工作中還出現(xiàn)了以液塞隨機(jī)脈動(dòng)為典型特征的脈動(dòng)流．

2) 熱負(fù)荷對(duì)小型熱虹吸管的兩相流型具有重要影響．在較高熱負(fù)荷作用下,工質(zhì)溫度達(dá)到相應(yīng)壓力的沸點(diǎn)時(shí)工質(zhì)蒸發(fā)量急劇增加導(dǎo)致蒸發(fā)段壓力急劇增大是小型熱虹吸管兩相脈動(dòng)啟動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力．在兩端壓差和重力耦合作用下,以液塞的隨機(jī)形成和脈動(dòng)為典型特征的脈動(dòng)流狀態(tài)是熱虹吸管尺度小型化過程中獨(dú)特的氣液兩相工質(zhì)狀態(tài)．小型熱虹吸管脈動(dòng)情況下主要存在塞狀流和環(huán)狀流2種主要流型,塞狀流流型中液塞的脈動(dòng)速度約為-1.5 ～1.5 m/s．

3) 在脈動(dòng)流啟動(dòng)階段,小型熱虹吸管主要通過管壁導(dǎo)熱和氣液兩相界面的膜態(tài)蒸發(fā)、冷凝實(shí)現(xiàn)熱量傳遞．而脈動(dòng)流啟動(dòng)后,在液塞的隨機(jī)形成和脈動(dòng)過程中,熱虹吸管主要靠對(duì)流蒸發(fā)、冷凝相變傳熱實(shí)現(xiàn)熱量傳遞．脈動(dòng)流啟動(dòng)階段熱虹吸管壁面溫度持續(xù)升高,未出現(xiàn)溫度波動(dòng)．在液塞和氣塞沖刷作用下,脈動(dòng)啟動(dòng)后熱虹吸管各段壁面溫度皆表現(xiàn)出脈動(dòng)特性．

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Visualizationexperimentalstudyonthermalperformancesofoscillationstateinminiaturizedtwo-phasethermosyphons

Yu Fawen1Liu Xiangdong2Zhang Chengbin1

(1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

TK124

A

1001-0505(2017)05-0945-05

2017-04-08.

禹法文(1981—),男,博士生; 張程賓(聯(lián)系人),男,博士,副教授, cbzhang@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51406175) 、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20140488,BK20170082).

禹法文,劉向東,張程賓.小型熱虹吸管脈動(dòng)流動(dòng)傳熱特性的可視化實(shí)驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(5):945-949.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.017.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.017