毫米級微管徑熱管的試驗與模擬研究

曹甜甜，張志剛

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

熱管是具有較高傳熱效率的兩相熱量傳輸元件，其優(yōu)勢在于利用較小的傳熱面積和溫差就能夠達(dá)到使用要求.熱管已被廣泛應(yīng)用于航空航天、計算機(jī)中央處理器CPU散熱、余熱回收和冶金工業(yè)等諸多工業(yè)領(lǐng)域[1-4]，成為解決熱量傳輸?shù)葐栴}的一種有效技術(shù)手段.重力熱管是利用重力作用使冷凝液回流而進(jìn)行熱量傳輸?shù)囊环N熱管，它既具有一般熱管傳熱效率高、等溫性良好以及環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]，又由于結(jié)構(gòu)加單、價格低廉被廣泛用于熱能綜合利用和余熱回收.

中國天津城建大學(xué)研究人員2011年首次提出了一種新型被動式太陽能利用技術(shù)——熱管置入式墻體（the wall implanted with heat pipes，簡稱 WIHP），該技術(shù)將微管徑重力熱管與墻體相結(jié)合，利用室內(nèi)外溫差進(jìn)行熱量傳輸，巧妙地解決了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能與利用天然冷熱源的矛盾[6].WIHP中微管徑熱管起到傳遞熱量的關(guān)鍵作用，其能否正常工作，直接決定了熱管置入式墻體能否正常運(yùn)行.為了研究微管徑熱管的傳熱性能，使之能在WIHP中最大化利用太陽能，本文采用可視化實(shí)驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對蒸發(fā)段和冷凝段均相通的毫米級微管徑并聯(lián)集束熱管，分析和探討了熱管內(nèi)部汽液兩相流的流動特征和換熱機(jī)理.

1 實(shí)驗介紹和模擬設(shè)置

1.1 實(shí)驗介紹

實(shí)驗系統(tǒng)主要由加熱裝置、冷卻裝置、充液及抽氣裝置、試驗段（熱管）和測量裝置等組成，如圖1所示.加熱裝置由恒溫水箱提供熱管蒸發(fā)段所需恒溫水，冷卻裝置采用水冷或空冷冷卻熱管冷凝段，抽氣設(shè)備采用真空泵，測量裝置采集Aglient 34970A高速數(shù)據(jù)采集儀采集溫度.為進(jìn)行可視化實(shí)驗，熱管由石英玻璃制作，上部橫管端部設(shè)充液及抽氣口，熱管總長500 mm，內(nèi)徑4 mm，壁厚2 mm，根據(jù)其形式的對稱性，布置了其溫度測點(diǎn).熱管形式及測點(diǎn)分布如圖2所示，蒸發(fā)段與冷凝段長度比為1：1.

本實(shí)驗的目的主要是為了與數(shù)值模擬結(jié)果作對比，來驗證模擬中所建模型的正確性，實(shí)驗中主要測試熱管壁溫以及觀察熱管蒸發(fā)段工質(zhì)流動狀態(tài).

圖1 試驗系統(tǒng)原理示意

圖2 實(shí)驗所用熱管形式及溫度測點(diǎn)分布

1.2 模擬設(shè)置

本文建立二維幾何模型，采用FLUENT中VOF模型進(jìn)行數(shù)值模擬，具體過程分為兩部分.

（1）GAMBIT網(wǎng)格劃分.為了更好地捕捉邊界附近工質(zhì)的流動和熱交換，管壁處采用邊界層網(wǎng)格.此外，由于熱管內(nèi)部工質(zhì)的流動和傳熱受氣液表面張力的影響較大，所以采用非結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格[7].局部網(wǎng)格劃分如圖3所示.

（2）FLUENT設(shè)置.FLUENT設(shè)置：求解器形式為Pressure-Base，選用瞬態(tài)模擬，考慮重力，多相流模型選用VOF，湍流模型為k-ε，開啟能量方程，添加工質(zhì)與管壁材料，設(shè)置氣態(tài)為主相，液態(tài)為第二項，啟用蒸發(fā)冷凝模型，設(shè)置邊界條件，蒸發(fā)段為恒壁溫，冷凝段為對流換熱，為使計算收斂更快，選用PISO壓力-速度耦合算法，格林高斯梯度插值（Green-Gauss Cell Based），設(shè)置初始化條件并標(biāo)記充液高度.

圖3 熱管網(wǎng)格劃分的局部放大效果

2 實(shí)驗研究與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

實(shí)驗測試和數(shù)值模擬中，熱管內(nèi)充液高度（充液高度是指在底部橫管充滿液體的基礎(chǔ)上，立管內(nèi)所充的液體的高度）為150 mm，壓力為0.033 MPa，熱管傾角為90°，工質(zhì)A，蒸發(fā)段加熱溫度為40℃，冷凝段采用空氣冷卻，室溫為17℃.

（1）微管徑熱管的溫度分布.在WIHP中，重力熱管的關(guān)鍵作用是熱量的傳輸，熱管工作時的溫度分布，體現(xiàn)了整個熱管傳熱性能的好壞，是熱管傳熱性能的重要指標(biāo)之一.表1為熱管各測點(diǎn)的試驗測試溫度值與模擬溫度值，從表中可以看出，試驗測試和模擬得到熱管上各測點(diǎn)溫度的最大差值分別為0.84、0.67 K，二者都能體現(xiàn)熱管良好的均溫性.由于實(shí)測誤差和模擬簡化造成了測點(diǎn)溫度值在數(shù)值上有差距，各個測點(diǎn)的試驗測試值均較模擬值低2℃左右，模擬誤差大約是試驗測試值的5.5%左右，模擬與試驗值都呈現(xiàn)了相同的規(guī)律.

表1 熱管各測點(diǎn)的試驗溫度值與模擬溫度值 ℃

（2）微管徑熱管的氣液分布.為進(jìn)一步分析熱管的傳熱性能，模擬得到了熱管內(nèi)氣液分布規(guī)律，并將模擬結(jié)果和實(shí)驗現(xiàn)象進(jìn)行了對比.在氣液分布方面，外界熱量通過蒸發(fā)段管壁傳遞給熱管內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)，液態(tài)工質(zhì)吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽在管內(nèi)成蛇形上升，在冷凝段放熱冷凝變?yōu)橐后w，液體沿管壁回流至蒸發(fā)段，并且回流過程中在管壁上形成一定厚度的液膜.圖4為熱管試驗與模擬現(xiàn)象的對比，從圖中可以看出，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，熱管內(nèi)產(chǎn)生了明顯的氣液充塞現(xiàn)象.

綜上分析可知，模擬所得到的熱管溫度分布、氣液分布均合理，且與試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)基本一致，誤差在可接受范圍之內(nèi)，模擬方法合理.

圖4 熱管模擬與實(shí)驗現(xiàn)象的對比

3 數(shù)值模擬分析

以下模擬結(jié)果均在蒸發(fā)段加熱溫度為40℃，冷凝段空氣溫度為17℃，管內(nèi)初始壓力為0.033 MPa，工質(zhì)為A的條件下得出.

3.1 不同充液高度條件下微管徑熱管的傳熱特性

（1）冷凝段溫度與充液高度的關(guān)系.熱管冷凝段的溫度分布直接關(guān)系到WIHP傳熱性能的好壞，圖5顯示了4 mm熱管在不同充液高度條件下熱管冷凝段的溫度分布情況.其中，溫度測點(diǎn)根據(jù)熱管冷凝段高度等間距設(shè)定.從圖中可以看出，隨著充液高度的增加，冷凝段的溫度逐漸升高，尤其是475 mm處測點(diǎn)的溫度明顯升高，充液高度為0 mm時該測點(diǎn)溫度為310.98 K，充液高度為250 mm時為311.72 K，提高了0.74 K.在不同充液高度下，隨著熱管高度的增加，熱管壁面溫度均逐漸降低.充液高度從0～250 mm所對應(yīng)的最高測點(diǎn)與最低測點(diǎn)的溫差分別為0.51，0.19，0.15，0.09，0.05，0.03 K，可見隨著充液高度的增加冷凝段頂端與低端的溫度差逐漸降低.當(dāng)充液高度在0～100 mm之間時，熱管冷凝段溫度變化較大，且充液高度越小變化越大.當(dāng)充液高度在100～250 mm之間時，熱管冷凝段的溫度變化較小，均溫性良好.

圖5 不同充液高度條件下熱管冷凝段的溫度分布

（2）氣液分布與充液高度的關(guān)系.熱管管內(nèi)是兩相流動，當(dāng)熱管傳遞熱量增加時，蒸汽量增加，液膜變厚，因此可通過液膜的厚度分析熱管的傳熱能力.圖6為不同充液高度下冷凝段的液膜厚度.圖中測點(diǎn)1～10依次由下而上排列，間距為25 mm，其中測點(diǎn)1設(shè)置在蒸發(fā)段與冷凝段交界處.由于冷凝段頂端橫管的存在，立管與橫管連接處的液膜厚度會受到橫管影響較大，因此只將最高測量點(diǎn)設(shè)置在了立管高度為475 mm的位置.從圖中可以看出，隨著冷凝段高度的降低，液膜厚度逐漸增加，但相同距離液膜厚度增加量逐漸變小，因冷凝液通過重力作用沿管壁回流，當(dāng)重力大于壁面黏附力時，隨著高度的降低冷凝液速度逐漸增大，液膜厚度增加趨勢變緩.當(dāng)充液高度為0 mm時，冷凝段各個測點(diǎn)處液膜均相對較薄.當(dāng)充液高度為50 mm時，各個測點(diǎn)的液膜厚度均增加0.018 mm左右.當(dāng)充液高度為100 mm時，液膜厚度進(jìn)一步增加，但若繼續(xù)增加充液高度，液膜厚度幾乎沒有變化.因在穩(wěn)定狀態(tài)下，隨著充液量的增加，熱管蒸發(fā)段內(nèi)液態(tài)工質(zhì)的蒸發(fā)量逐漸增加，冷凝段蒸汽的冷凝量也逐漸增加，液膜逐漸變厚，當(dāng)熱管達(dá)到傳熱極限后將無法傳遞更多熱量，因此在冷凝段無法冷凝更多的蒸汽，液膜厚度無法繼續(xù)增加.充液高度為150 mm和200 mm的液膜厚度曲線有相對較大的波動，因為該充液高度下，測點(diǎn)4和6恰好設(shè)置在了該充液高度下液膜的波谷和波峰的位置.

圖6 熱管冷凝段液膜與充液高度的關(guān)系

已有研究結(jié)果[8]表明，當(dāng)充液高度小于干涸臨界充液高度時，會發(fā)生干涸極限，而當(dāng)充液高度大于蒸發(fā)段長度時，液體在冷凝段易發(fā)生過冷現(xiàn)象，甚至?xí)l(fā)生周期性爆裂沸騰.因此，為了保持熱管穩(wěn)定有效運(yùn)行，充液高度應(yīng)介于干涸臨界充液高度和蒸發(fā)段高度之間.圖7顯示了不同充液高度下熱管底部橫管及其附近的氣液分布情況（phase 1代表液體體積分?jǐn)?shù)）.從圖中可看出，充液高度為0和50 mm時，并沒有液池存在，當(dāng)充液高度高于100 mm時，隨著充液高度的繼續(xù)增加，底部橫管和立管底部的液體體積分?jǐn)?shù)明顯增加，液膜更加突出，橫管中氣泡也較為明顯.由此可見，為保證熱管連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，充液高度在100～250 mm之間較為合適.

圖7 不同充液高度下底部橫管及其附近的氣液分布

3.2 不同管徑條件下微管徑熱管的傳熱特性

由于受到墻體厚度及內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)的限制，WIHP所用熱管必須是毫米級的微管徑熱管，而對于毫米級的熱管，熱管管徑的大小會對整個熱管的傳熱性能有較大的影響.為選擇合適的管徑，本文模擬研究了蒸發(fā)段長度比為0.5的情況下，不同管徑（內(nèi)徑分別為 2，4，6，8 mm）熱管的傳熱效果.

（1）冷凝段溫度與管徑的關(guān)系.圖8顯示了不同管徑熱管冷凝段溫度的分布情況，可以看出，不同管徑熱管相同高度測點(diǎn)最大溫差不超過0.14 K，同一根熱管冷凝段最大溫差不超過0.2 K，四種管徑的熱管都體現(xiàn)了良好的均溫性，但就此四種管徑的熱管而言，隨著管徑的增加，熱管均溫性逐漸下降，2 mm熱管均溫性最好，8 mm熱管均溫性最差.隨著熱管管徑的增大，管內(nèi)脈動現(xiàn)象逐漸變?nèi)酰? mm熱管具有強(qiáng)烈的脈動現(xiàn)象，而8 mm熱管中幾乎不存在脈動現(xiàn)象.強(qiáng)烈的脈動現(xiàn)象可以使管內(nèi)蒸汽更易到達(dá)熱管頂端，同時增加管內(nèi)的擾動，破壞管壁處的液膜，使得蒸汽可以直接與管壁接觸，增強(qiáng)換熱效果，因此，脈動現(xiàn)象更有利于熱管的均溫性.

值得注意的是，當(dāng)管徑增加一個數(shù)量級，管內(nèi)的冷凝段溫度隨管徑的變化規(guī)律恰好與圖8中所顯示的相反，即隨著管徑的增加，冷凝段的均溫性越好，冷凝量也增大[9].這是由于對于大管徑的熱管，管內(nèi)沒有脈動現(xiàn)象，管徑越大，蒸汽越容易上升到熱管頂部，且冷凝段與外界接觸面積增大，更有利于熱管與環(huán)境換熱，壁面溫度更易均勻.

（2）氣液分布與管徑的關(guān)系.圖9為不同管徑熱管冷凝段液膜厚度隨冷凝段高度的變化規(guī)律.從圖中可以看出，隨著熱管管徑的增加，液膜厚度在整體上逐漸增加.2 mm管徑熱管的液膜厚度隨著冷凝段高度的增加波動較大，各測點(diǎn)間液膜厚度相差較大.在300 mm處的冷凝段液膜厚度最大為0.221 mm，而處于熱管冷凝段下部250，275 mm處的液膜厚度較薄，分別為0.089，0.075 mm，與最大值相差約為1.5 mm.4 mm熱管冷凝段液膜厚度也存在波動，但波動幅度較小，在275 mm處液膜最厚為0.102 3 mm.6 mm熱管冷凝段液膜厚度的波動進(jìn)一步減小，且液膜厚度自上而下逐漸增厚.8 mm熱管冷凝段液膜厚度基本不存在波動，液膜從上而下幾乎呈線性規(guī)律逐漸增厚.不同管徑熱管冷凝段的上部液膜厚度變化趨勢基本一致，越靠近熱管頂端液膜越薄.總體來說，對于毫米級熱管而言，管徑越小，冷凝段液膜厚度的波動性越明顯，隨著熱管管徑的增大，冷凝段液膜厚度逐漸增大，8 mm熱管冷凝段底部液膜最厚為0.126 mm.

雖然在穩(wěn)定狀態(tài)下，蒸發(fā)段吸收的熱量等于冷凝段釋放的熱量，但是，熱管內(nèi)部狹小的反應(yīng)空間內(nèi)，不同時刻的氣液分布不同，且沒有規(guī)律.熱管內(nèi)工質(zhì)流動的平穩(wěn)性與壁溫的穩(wěn)定性直接相關(guān)，當(dāng)壁溫穩(wěn)定時，熱管內(nèi)工質(zhì)的流動平穩(wěn)性較好，反之，則熱管內(nèi)工質(zhì)流動會出現(xiàn)波動，導(dǎo)致熱管傳熱性能下降[10].由于隨時間的推進(jìn)，8 mm管徑的熱管內(nèi)氣液分布狀態(tài)變化較小，液膜波動較小，因此熱管溫度較為穩(wěn)定.此外，隨著熱管內(nèi)徑增大，管內(nèi)氣液充塞現(xiàn)象逐漸減弱，使得橫管中堆積的氣體減少，液態(tài)工質(zhì)更易回流至橫管，立管中液注高度降低，管壁處液膜的面積增加，由于液膜傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于液池，因此將更有利于熱管的傳熱.

圖8 不同管徑熱管冷凝段溫度的分布情況

圖9 冷凝段液膜厚度與管徑的關(guān)系

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗驗證了采用FLUENT軟件中VOF模型對適用于WIHP的毫米級微管徑并聯(lián)集數(shù)熱管進(jìn)行數(shù)值模擬的合理性，并分析了充液高度和管徑大小對其傳熱特性的影響，得出如下結(jié)論.

（1）熱管中的不同立管在冷凝段同高度位置的溫度基本相同，隨著高度的增加，管壁的溫度呈降低趨勢，整體來看蒸發(fā)段和冷凝段均相通的毫米級微管徑并聯(lián)集束熱管具有良好的均溫性.

（2）隨著充液高度的增加，冷凝段壁面溫度均勻性逐漸提高，毫米級微管徑并聯(lián)集束熱管充液高度在100～250 mm之間時能夠確保有效穩(wěn)定運(yùn)行.

（3）WIHP中熱管的管徑以8 mm較為適宜.對于毫米級熱管而言，雖然管徑的增大會減弱脈動現(xiàn)象，降低熱管冷凝段的均溫性，但最大溫差也僅為0.2 K；而增大熱管管徑的同時，熱管溫度更為穩(wěn)定，且液膜面積增加、換熱增強(qiáng)，因此綜合考慮，在WIHP中應(yīng)盡量選擇較大管徑的熱管.