脈動熱管傳熱性能模擬研究*

景艷陽，魯祥友

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

脈動熱管擁有結(jié)構(gòu)簡單、傳熱能力突出、有較高的抗燒干能力[1]、適應(yīng)多種工作環(huán)境等優(yōu)良特點(diǎn)。所以熱管技術(shù)應(yīng)用于電子設(shè)備散熱、土建工程節(jié)能、熱能動力工程、太陽能光伏發(fā)電和余熱利用等多個(gè)領(lǐng)域[2]，其中還包括在細(xì)胞快速冷凍和超導(dǎo)磁體冷卻新領(lǐng)域的應(yīng)用[3]。國內(nèi)外學(xué)者從各方面對可能影響脈動熱管的各種因素進(jìn)行了大量的模擬及實(shí)驗(yàn)研究。影響脈動熱管的傳熱性能一般有幾何參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、物理參數(shù)等[4]。

Charoensawan 等[5]通過實(shí)驗(yàn)研究表明，脈動熱管熱阻會隨著匝數(shù)的增加而降低。徐金柱等[6]對單環(huán)路液氫為工質(zhì)的脈動熱管進(jìn)行CFD 模擬，研究結(jié)果表明，充液率80%的脈動熱管熱阻隨加熱功率的增加先減小后穩(wěn)定，溫度振蕩的頻率是隨加熱功率的增加先增大后穩(wěn)定。J.Venkata suresh等[7]對兩環(huán)路甲醇作為工質(zhì)的脈動熱管進(jìn)行了CFD 模擬研究，分別對比了60%、70%、80%三種填充率，研究結(jié)果表明甲醇充液率為60%時(shí)性能最優(yōu)，熱阻隨熱輸入的增加而減小，傳熱系數(shù)增大。H N Reddappa 等[8]對丙酮為工質(zhì)的脈動熱管進(jìn)行CFD 模擬，研究結(jié)果表明，熱阻隨熱量增加而減小，充液率為60%時(shí)，熱阻降低性能最優(yōu)。

大量的研究結(jié)果表明，計(jì)算流體模擬可以對脈動熱管的實(shí)際工作過程，進(jìn)行更加完整和精確的模擬和分析。本文建立常規(guī)均勻直徑脈動熱管，通過對不同環(huán)路數(shù)的脈動熱管進(jìn)行模擬，對液塞流動特性、體積分?jǐn)?shù)、溫度及壓力變化等進(jìn)行分析。

1 幾何模型及模擬條件

1.1 幾何模型

如圖1 所示，建立環(huán)路1-3 管徑為2mm 的脈動熱管模型，對0.5mm、0.35mm、0.1mm、0.05mm 四個(gè)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行有效性驗(yàn)證，對比精度及時(shí)間選定網(wǎng)格尺寸為0.35mm。脈動熱管總長度為150mm，垂直放置底部受熱，蒸發(fā)段長度35mm，絕熱段80mm，冷凝段35mm（多環(huán)路中間環(huán)路冷凝段25mm），管內(nèi)真空度4000Pa，充液率50%，歐拉三相分別是空氣、水蒸氣和液態(tài)水。分別在脈動熱管的每個(gè)管道高1mm、20mm、120mm、139mm、149mm 處設(shè)立測點(diǎn)，分別記錄處理每個(gè)測點(diǎn)溫度、壓力等參數(shù)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)將整個(gè)運(yùn)行過程液體體積分?jǐn)?shù)變化過程記錄為動畫?？紤]到管材實(shí)際使用和工質(zhì)的相容性，鋼材與水相容性優(yōu)良，最大腐蝕程度為0.05mm/年，所以，本次模擬管材選擇鋼，壁厚0.5mm，運(yùn)行工質(zhì)選擇常規(guī)液體水。

1.2 控制方程及其他條件

采用Fluent 中的VOF 模型，可以很好地追蹤脈動熱管內(nèi)在氣液相變時(shí)，包括蒸發(fā)、沸騰、冷凝和氣液塞產(chǎn)生及融合等復(fù)雜的變化過程。使用PISO 進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，跟蹤相與相之間界面的連續(xù)性方程為：

式中，ρ：密度，kg/m3；t：時(shí)間，s；v：速度，m/s；S：質(zhì)量源項(xiàng)。

假設(shè)管內(nèi)工質(zhì)為不可壓縮流，對于不可壓縮多相流，壓力修正方程為：

其中:

ρrk：kth相的相位參考密度（定義為相k 的總體積平均密度）；v'k：kth相的速度修正；v*k：當(dāng)前迭代時(shí)vk的值，速度修正本身表示為壓力修正的函數(shù)。

邊界條件設(shè)置：蒸發(fā)段邊界條件為恒定熱通量10000W/m2，冷凝段環(huán)境溫度為20℃，其它部分為絕熱。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 脈動熱管啟動分析

脈動熱管是蒸發(fā)段加熱、冷凝段降溫造成工質(zhì)溫度振蕩，與工質(zhì)循環(huán)過程相變產(chǎn)生壓力波動共同作用作為運(yùn)行的主要?jiǎng)恿?。壓力分布與液相分布狀態(tài)可以很直觀的解釋脈動熱管工作狀態(tài)。為了更清楚明顯地觀察到脈動熱管啟動狀態(tài)，以三環(huán)路脈動熱管的啟動狀態(tài)進(jìn)行分析。圖2 是三環(huán)路脈動熱管啟動階段壓力及液相分布云圖。脈動熱管未啟動前設(shè)置是真空狀態(tài)，當(dāng)蒸發(fā)段受熱，每個(gè)蒸發(fā)段的U 型結(jié)構(gòu)壓力都開始上升，最中間的U 型環(huán)路壓力增幅最大，如圖2（a），并且通過通道向兩側(cè)釋放壓力，雖然每個(gè)U 型蒸發(fā)段熱通量接近一致，但可能由于整個(gè)脈動熱管結(jié)構(gòu)最外側(cè)環(huán)路與中間環(huán)路距離最遠(yuǎn)，壓力最低，相互影響程度最小，而且連接外側(cè)回路的低壓冷凝段比中間環(huán)路的冷凝段長，所以同一時(shí)間內(nèi)壓力增長速度相對最弱。由于脈動熱管管徑均勻，結(jié)構(gòu)呈軸對稱狀態(tài)，所以結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)壓力分布同樣對稱，變化幅度對稱，造成如圖2（b）所示的液相流動狀態(tài)，液相向冷凝段流動的高度一致。

圖2 0.02s 壓力及液相分布云圖

隨著蒸發(fā)段不斷接收熱量，壁面溫度升高，形成汽化核心，產(chǎn)生的小氣泡受熱膨脹與對面壁面氣泡接觸融合成氣塞。其中蒸發(fā)段的彎頭部分氣塞產(chǎn)生及生長速度和程度基本小于豎直管段。分析原因，一方面豎直管段的氣泡從壁面產(chǎn)生并生長，其汽化核心沿受豎直壓力梯度的影響，氣塞主要依靠上下壓力差形成。而由于結(jié)構(gòu)差異，彎頭部分的汽化核心壓力梯度向四周發(fā)展基本呈發(fā)散狀態(tài)，而且啟動階段液相主要集中在脈動熱管結(jié)構(gòu)底部，受重力影響，彎頭處的壓力主要依靠壁面持續(xù)受熱發(fā)生變化。由于啟動壓力左右對稱分布，所以液相高度呈現(xiàn)為以結(jié)構(gòu)中軸對稱的上開口拋物線，如圖3。當(dāng)脈動熱管最外側(cè)液相上升至冷凝段，液塞氣塞冷凝換熱，氣泡破碎，引起壓力變化同時(shí)隨著蒸發(fā)段加熱，液膜蒸發(fā)，左右兩側(cè)管道產(chǎn)生壓力差。當(dāng)其中一側(cè)管內(nèi)壓差在抵消液體重力、流動阻力、毛細(xì)阻力后不足以支撐液塞繼續(xù)上升時(shí)，工質(zhì)液相開始停滯或者逆向運(yùn)行，推動另一側(cè)液相向冷凝段運(yùn)行。通過觀察對比1-3 環(huán)路脈動熱管運(yùn)行過程，單環(huán)路脈動熱管工質(zhì)最終以順時(shí)針方向形成單向循環(huán)流動，2-3 環(huán)路脈動熱管最終形成逆時(shí)針單向循環(huán)。而且環(huán)路數(shù)量的增加減少了工質(zhì)啟動時(shí)左右振蕩循環(huán)的次數(shù)，最終形成單向循環(huán)的時(shí)間減少，有效傳熱的時(shí)間增加，優(yōu)化了傳熱性能。

2.2 環(huán)路數(shù)對脈動熱管傳熱性能的影響

圖3 0.25s 液體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

蒸發(fā)段溫度都是隨時(shí)間的增加先上升，后降低并形成持續(xù)穩(wěn)定的振蕩。蒸發(fā)段溫度波動幅度較大是由于液體不斷接收熱量，當(dāng)熱量累計(jì)到一定程度，液體被壓力推動向冷凝段運(yùn)行，蒸發(fā)段液相減少，氣塞迅速升溫，當(dāng)液相回流至蒸發(fā)段溫度降低。對比同一充液率不同環(huán)路數(shù)的溫度變化曲線圖發(fā)現(xiàn)，溫度突升程度和振蕩幅度都隨著環(huán)路數(shù)的增加而減小，而且蒸發(fā)段溫度達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定振蕩所需的時(shí)間隨環(huán)路數(shù)的增加而減少。由于壁面熱通量固定，脈動熱管環(huán)路數(shù)增加的同時(shí)，總加熱功率增加，換熱面積增加；同時(shí)由于環(huán)路數(shù)增加，工質(zhì)形成單向循環(huán)時(shí)間減少，穩(wěn)定的單向循環(huán)流有助于脈動熱管進(jìn)行穩(wěn)定的傳熱，優(yōu)化傳熱性能。蒸發(fā)段穩(wěn)定的溫度變化說明蒸發(fā)段液相傳熱穩(wěn)定，無“燒干”現(xiàn)象，不易達(dá)到傳熱極限。

圖4 不同環(huán)路數(shù)蒸發(fā)段溫度隨時(shí)間變化圖

3 結(jié)論

本文對直徑2mm 的1-3 環(huán)路的脈動熱管進(jìn)行模擬分析，分析得出以下結(jié)論：

（1）均勻直徑脈動熱管啟動時(shí)左右兩側(cè)壓力分布呈對稱狀態(tài)，工質(zhì)上升幅度同樣對稱。彎頭氣泡產(chǎn)生融合速度小于豎直管道。

（2）單環(huán)路脈動熱管形成順時(shí)針循環(huán)，2-3 環(huán)路形成逆時(shí)針循環(huán)。脈動熱管左右振蕩循環(huán)次數(shù)隨環(huán)路數(shù)增加而減少，形成單向循環(huán)時(shí)間減少，傳熱性能提高。

（3）隨著環(huán)路數(shù)的增加，蒸發(fā)段溫度突變程度降低，達(dá)到穩(wěn)定持續(xù)振蕩所需時(shí)間減少，溫度穩(wěn)定的振蕩說明脈動熱管傳熱效率穩(wěn)定，無“燒干”現(xiàn)象。增加環(huán)路數(shù)有助于提高傳熱極限。