GO-納米流體在振蕩熱管中的氣?液脈動現(xiàn)象及其傳熱特征

汪維偉，趙福云，王磊，蔡陽，趙月帥，楊國彪，孫佳韻

(1.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢，430072；2.暨南大學能源電力研究中心，廣東珠海，519070；3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京，100094)

振蕩熱管(oscillating/pulsating heat pipe)是一種新型高效的傳熱元件，無毛細芯結(jié)構(gòu)，管路加工多樣，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，僅憑借冷熱端的溫度梯度引起的脈動壓力驅(qū)動力，就能使氣?液彈進行顯/潛熱交替?zhèn)鳠醄1]，被廣泛用于中低溫太陽能集熱、空調(diào)系統(tǒng)排風余熱回收、微型電子元件散熱、燃料電池冷卻及旋轉(zhuǎn)機械加工冷卻等領(lǐng)域[2]。目前，研究人員從加熱功率、工質(zhì)種類、充液率、傾斜角度及尺寸結(jié)構(gòu)等方面[3?6]探究脈動熱管的熱質(zhì)輸送性能。

SEDIGHI等[7]在多環(huán)路脈動熱管的基礎上，對蒸發(fā)段引入了額外的分叉結(jié)構(gòu)，運用CFD(computational fluid dynamics)數(shù)值模擬方法探討了氣?液塞流型的形成過程及振蕩強化傳熱情況，發(fā)現(xiàn)額外分叉結(jié)構(gòu)顯著增強了熱質(zhì)振蕩交替的循環(huán)頻率，從而提升了振蕩熱管的顯/潛熱換熱性能；夏侯國偉等[8?9]設計了三角形和矩形截面的平板式振蕩熱管，發(fā)現(xiàn)2種形狀的工作穩(wěn)定性都較好，但三角形截面比矩形截面在運行平穩(wěn)和綜合傳熱性能方面更優(yōu)；汪健生等[10]提出了一種水平蒸發(fā)與冷凝結(jié)構(gòu)的新型單回路振蕩熱管，發(fā)現(xiàn)采用遞增式與非對稱的加熱方式均能強化振蕩熱管的啟動及穩(wěn)定傳熱特性，且在非對稱方式工作時，振蕩熱管的傳熱性能最大提升13.26%。

值得注意的是，優(yōu)越的新型工質(zhì)能夠顯著提升振蕩熱管的熱質(zhì)輸送性能，目前也是最有效的強化換熱方式之一[11]。陳曦等[12]以乙烷為流體工質(zhì)的脈動熱管，討論了加熱功率和傾斜角度對低溫熱管性能的影響；HU 等[13]采用高碳醇自濕潤流體，研究了自濕潤流體在脈動熱管的強化流動傳熱性能，發(fā)現(xiàn)該新型流體的表面張力隨著溫度逐漸升高，能夠自發(fā)地流向蒸發(fā)高溫區(qū)域，顯著降低振蕩熱管的熱阻；PATEL 等[14]比較了水、甲醇、乙醇和丙酮這4種基液混合鈉十二烷基硫酸鹽分散水溶液對振蕩熱管啟動性能和穩(wěn)定傳熱能力的影響；XING 等[15]利用甲基溴化氨CTAB 表面改性劑水溶液，降低了流體的表面張力，進而削弱了重力對振蕩熱管的影響，發(fā)現(xiàn)振蕩熱管水平放置下，CTAB改性劑能夠顯著提升流體濕潤性，同時，核態(tài)沸騰過程得到強化；紀玉龍等[16]借助實驗探討了Al2O3/H2O 納米流體對振蕩熱管傳熱強化作用的影響，發(fā)現(xiàn)添加Al2O3顆粒后，最佳充液率有所降低，同時，提升充液率削弱了納米流體的傳熱強化能力。

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是一種新的高效能量傳遞工質(zhì)[17]，其分子結(jié)構(gòu)中含有豐富的極性含氧官能團[18]，為強親水性物質(zhì)，在水中表現(xiàn)出優(yōu)越的分散特性，形成納米流體，近幾年已廣泛應用于儲能系統(tǒng)與強化傳熱領(lǐng)域[19]。目前關(guān)于GO-納米流體對振蕩熱管流動換熱的影響機制鮮有研究，其納米流體在管內(nèi)離散分布且形成長短不等的氣液塞，根據(jù)不同的操作條件，會出現(xiàn)氣?液塞隨機產(chǎn)生與湮滅現(xiàn)象，這就導致振蕩熱管運行和傳熱規(guī)律較復雜，為此，本文設計并搭建多回路閉式脈動熱管可視化實驗平臺，實時觀測熱管運行過程中氣/液兩相流主要流型演變和運行狀態(tài)，并進一步揭示氣?液兩相流演變規(guī)律和熱管傳熱特性間的相互聯(lián)系及強化傳熱機制。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

實驗以內(nèi)徑為3 mm、含有4 個彎頭的耐熱石英玻璃脈動熱管為實驗對象，具體實驗模型如圖1所示，垂直于底部進行加熱測試，把直徑為2 mm的鎳鉻電阻絲纏繞在石英玻璃管上，蒸發(fā)段長度為70 mm，絕熱段長度為50 mm，冷凝段長度為70 mm，利用智能恒溫水浴鍋(HX-1020 型，?20～100 ℃)冷卻振蕩熱管，冷卻水溫度設定在(10.0±0.1)℃，玻璃轉(zhuǎn)子流量計(LZM-6T 型)的恒定水流量設定為600 mL/min。整個振蕩熱管用透明隔熱板包裹，減少熱量在環(huán)境中散失，同時保證可視化實驗能夠充分展開。實驗中采用直徑為0.5 mm的K型熱電偶(精度為±0.5 ℃)，分別置于熱管的不同位置，通過溫度數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34970A型，±0.001 ℃)記錄溫度，具體位置如圖1所示。為了不影響測試結(jié)果的對比，實驗在空調(diào)房中23 ℃的環(huán)境下進行，保證測試過程中熱泄露一致。在實驗過程中，圖像記錄攝像儀(CANON EOS70D型)采用三腳架支撐，觀察透明加熱段、絕熱段和冷凝段內(nèi)部流型隨時間演變情況。

圖1 脈動熱管可視化實驗裝置Fig.1 Visualization experimental device of pulsating heat pipe

為了獲取穩(wěn)定的GO-納米流體，通過高精度0.1 mg級電子天平，稱取適量的南京惠衡科技公司生產(chǎn)的精細GO-納米顆粒粉體，借助GO-納米顆粒的親水性，均勻地分散到基液中，分別制備出質(zhì)量分數(shù)φ分別為0.025%，0.050%，0.075% 和0.100%的納米流體，其中納米顆粒的單層厚度為1 nm，片徑為0.2～10.0 μm，然后經(jīng)過磁力攪拌機攪拌30 min。研究中，采用的基液為工業(yè)蒸餾水，消除基液對納米流體的影響。通過真空泵(VP-1100型)將脈動熱管系統(tǒng)進行抽真空處理，從而降低工質(zhì)的飽和溫度，在真空表的讀數(shù)保持穩(wěn)定10 min后，隨即將配制好的納米工質(zhì)利用注射器注入至管內(nèi)，本文統(tǒng)一采用最佳充液率[20]為60%±5%(即充入工質(zhì)占熱管體積的60%±5%)，充液結(jié)束后將注液口用鋼箍完全封死。

1.2 數(shù)據(jù)處理

本文研究不同納米顆粒質(zhì)量分數(shù)對熱管運行特性的影響，分析各熱流密度穩(wěn)定運行下脈動熱管的熱阻R(單位為℃/W)，其表達式為

式中：Qin為輸入功率，W；Te,ave和Tc,ave分別為平均蒸發(fā)段溫度和冷凝段溫度，℃，

Te1，Te2，Te3和Te4分別為圖1中蒸發(fā)段各位置的測量壁溫，℃；Tc1，Tc2，Tc3和Tc4分別為圖1中冷凝段各位置的測量壁溫，℃。

另外，為了排除不同蒸發(fā)段長度及電加熱絲的纏繞方式等因素的干擾，對熱流密度q進行討論，其計算式為

式中：q為單位面積截面內(nèi)單位時間通過的熱能，W/m2；Ae為蒸發(fā)段面積，m2；功率Qin主要通過直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源(SS-L3010SP型，30V-10A)控制蒸發(fā)段兩端加熱絲輸入電壓，從而改變輸入熱流密度。電壓U和電流I的精度分別為0.001 V 和0.001 A。

1.3 誤差分析

為了獲得本實驗熱阻測量的準確性，采用下式計算[21]，

通過比對多組實驗結(jié)果，計算熱阻的最大相對不確定度小于5%。

2 流型演變過程分析

實驗開始后，初始熱流密度設定為2 172 W/m2，待溫度曲線平穩(wěn)后，即10 min 內(nèi)溫度變化小于±0.5 ℃，隨后每次提升熱流密度直至5 429 W/m2，由數(shù)據(jù)采集儀獲取溫度。

2.1 蒸發(fā)段流型演變過程

圖2所示為顆粒質(zhì)量分數(shù)為0.075%條件下，不同熱負荷條件下脈動熱管的典型流型。由圖2可見：在較小熱負荷下，加熱絲附近不斷有小氣泡出現(xiàn)，形成泡狀流狀態(tài)，幾個氣泡偶爾形成塞狀流/半環(huán)狀流；隨著熱負荷提升，在毛細力和表面張力共同作用下，塞狀流現(xiàn)象逐漸產(chǎn)生；當熱流密度達到4 343 W/m2時，氣液交界面或氣塞與管壁處的薄膜不斷吸收熱量，一旦工質(zhì)處于短暫停滯狀態(tài)，氣泡體積迅速膨脹，大量集聚的蒸氣對液塞進行剪切沖刷，在兩側(cè)壁面產(chǎn)生液膜，最終形成半環(huán)狀/環(huán)狀流型[22]；伴隨著冷熱端壓差的增強，納米流體朝著冷凝段迅速移動，發(fā)生上下振蕩劇烈，其工質(zhì)攜帶熱量的能力得到有效提升。

圖2 不同熱負荷條件下脈動熱管的典型流型Fig.2 Typical flow patterns of pulsating heat pipe under different heat loads

圖3所示為蒸發(fā)段“停滯”過程的流動形態(tài)。由圖3可見：該過程氣?液流動特征主要分為2 種情況。

1)當振蕩處于停滯狀態(tài)時(如圖3(a)所示)，蒸發(fā)段存在懸浮的GO-納米顆粒(其液塞呈現(xiàn)明顯暗灰色)，產(chǎn)生較多的核化點，小氣泡在懸浮的GO納米顆粒下，迅速增大融合；泡狀流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流的速度極快，僅僅為10 ms 左右，隨后上下振動，進行熱量傳遞。

2)由圖3(b)可見：當環(huán)狀流保持靜止狀態(tài)時，在停滯的長氣塞底部會出現(xiàn)1個氣核，在加熱過程中，該短氣核逐漸變大，進而擠壓上面的長氣塞，朝著冷凝端移動，最終在較大的表面張力下，氣液界面被撕碎，短氣塞和長氣塞融合，但融合后的氣塞仍然保持原有的位置。隨著GO-納米流體濃度增大，這種“剎車停滯”狀態(tài)更加明顯，這主要是由于納米流體的密度和黏性力變大，進而導致氣/液塞振蕩頻率減弱。

圖3 蒸發(fā)段“停滯”過程的流動形態(tài)Fig.3 Flow patterns of stagnation process in evaporation section

圖4所示為蒸發(fā)段振蕩過程的流動形態(tài)。由圖4(a)可見：當蒸發(fā)段處于熱不平衡狀態(tài)即氣?液兩相流振蕩過程時，氣泡會在流動過程中逐漸產(chǎn)生，同時不斷融合增大，這種流型一般會在熱流密度較小的情況或者啟動過程中多次出現(xiàn)。由圖4(b)可見：由于熱量的輸入，位于長氣塞底部的短氣塞會不斷膨脹增大，從而在流動過程中，長短氣塞不斷進行融合，其“移動”融合的速度遠大于“停滯”過程中融合的速度。這種反復快速融合的過程進一步提升了整個脈動熱管系統(tǒng)的交替振蕩頻率。

圖4 蒸發(fā)段振蕩過程的流動形態(tài)Fig.4 Flow patterns of oscillation process in evaporation section

2.2 冷凝段流型演變過程

在冷凝過程中，兩相流態(tài)變化主要存在彎頭前以及水平管位置處。圖5所示為冷凝段流動形態(tài)。由圖5(a)可見：氣液塞在上升過程中，由于彎頭處的壓損增大，同時含有納米顆粒的液塞與壁面之間黏性作用力增強，管內(nèi)工質(zhì)的流動速度逐漸緩慢，而底部短氣塞的速度較快，導致長氣塞和短氣塞緩慢融合或擠壓。與和蒸發(fā)段流態(tài)不同的是，冷凝段的氣塞在融合后，氣塞的長度基本不變。由圖5(b)可見：氣/液塞經(jīng)過冷凝段水平位置會出現(xiàn)波浪流，產(chǎn)生“喉部”，蒸汽逐漸冷凝，壁面處形成不穩(wěn)定液膜增厚，導致長氣塞逐漸發(fā)生斷裂或者破碎，從而形成“液橋”現(xiàn)象[23]。另外，在定向循環(huán)過程中，蒸發(fā)段與冷凝段通常以長氣塞與短氣塞交替的復雜現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，冷凝段主要是以較弱的凝結(jié)相變換熱與明顯的氣液兩相流脈動對流換熱共存。

圖5 冷凝段流動形態(tài)Fig.5 Flow patterns of condensing section

2.3 絕熱段流動過程

圖6所示為絕熱段流動形態(tài)。由圖6可見：當長短不一的氣?液塞經(jīng)過絕熱段時，離散的短氣塞以及長氣塞相互之間并沒有發(fā)生融合、破裂、壓縮或擴張等演變行為，同時，氣/液塞長度幾乎保持不變。其主要原因是絕熱段與環(huán)境未進行熱量交換，從而形成穩(wěn)定的脈動流動，該觀測結(jié)果與文獻[24]中結(jié)果基本一致。

圖6 絕熱段流動形態(tài)Fig.6 Flow patterns of adiabatic section

3 脈動熱管的傳熱性能分析

圖7所示為脈動熱管在不同顆粒質(zhì)量分數(shù)下的溫度曲線。由圖7可見：初始啟動溫度保持在22 ℃(環(huán)境溫度不變)，當啟動功率為2 172 W/m2時，加熱段的壁面溫度快速升高逐漸趨于穩(wěn)定；在低熱流密度條件下，溫度波動較小，主要是由于泡狀流主導下的流態(tài)，驅(qū)動力不足以推動流體穩(wěn)定振蕩；隨著熱流密度提升，蒸汽速度明顯上升，其氣?液剪切應力增大，壁面處液膜逐漸增厚[25]，故冷熱端溫度差進一步增大，原有熱平衡迅速被打破，并產(chǎn)生壓力推動流體朝著冷凝段流動，所形成的塞狀流導致明顯的周期型振蕩；當加熱量從3 257 W/m2達到5 429 W/m2時，管內(nèi)流態(tài)是以半環(huán)狀/環(huán)狀流為主，其中氣泡的核化過程劇烈，塞狀流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流的速度也較快，振蕩頻率明顯加強，這與可視化實驗現(xiàn)象吻合。

圖7 脈動熱管的蒸發(fā)段平均溫度曲線Fig.7 Average temperature curves of evaporation section of pulsating heat pipe

為了更加深入比較振蕩熱管系統(tǒng)在不同顆粒質(zhì)量分數(shù)下的脈動傳熱特性，本文分析熱流密度為4 343W/m2時的絕熱段溫度變化。如圖8所示。從圖8可見：當質(zhì)量分數(shù)達到0.100%時，其溫度曲線呈現(xiàn)出振幅大而頻率低的波動，這主要是由于工質(zhì)中含有較多的納米顆粒導致流體黏性阻力增強[26]，從而冷凝工質(zhì)向蒸發(fā)段循環(huán)回流的貢獻被削弱，氣/液塞的振蕩頻率有所降低。觀察圖3和圖4發(fā)現(xiàn)：隨著納米顆粒質(zhì)量分數(shù)上升，GO-納米流體在蒸發(fā)段處的“剎車停滯”現(xiàn)象也更加明顯，表明其內(nèi)部工質(zhì)處于“準靜止?大幅震蕩”交替出現(xiàn)的狀態(tài)，雖然工質(zhì)處于停滯使熱管壁面存在短時間的干涸現(xiàn)象(溫度大幅上升)，但隨著振蕩液塞回流，壁面溫度又迅速下降。

圖8 熱流密度為4 343 W/m2時的絕熱段溫度曲線Fig.8 Temperature curve of adiabatic section with heat flux of 4 343 W/m2

4 熱阻對比

圖9所示為振蕩熱管在不同納米顆粒質(zhì)量分數(shù)下，傳熱總熱阻隨熱流密度的變化情況。由圖9可見：低熱流密度條件下，氣泡數(shù)量較少，核態(tài)沸騰強度較弱，因此，熱管整體熱阻較高；隨著熱負荷提升，熱管內(nèi)主要形成了頻率較高的氣?液兩相流動和強烈的相變換熱過程，同時，管內(nèi)主要是保持較長的環(huán)狀流上下振蕩，故整個熱管的換熱性能相比低熱流量更優(yōu)。進一步添加GO-納米顆粒后，相對于去離子水，熱阻明顯有所降低，其中，在質(zhì)量分數(shù)φ=0.075%時，脈動熱管在5 429 W/m2的熱阻能夠有效降低到1.45 ℃/W，這主要是由于納米流體的脈動對流換熱系數(shù)顯著增強，工質(zhì)內(nèi)表面受熱表面積增大，同時，納米顆粒提供了更多的氣化核心數(shù)，氣泡的受熱膨脹和聚合過程更劇烈，故納米流體能從顯熱和潛熱2個方面實現(xiàn)高效交替換熱。但隨著質(zhì)量分數(shù)達到φ=0.100%，管內(nèi)氣?液塞的振蕩頻率出現(xiàn)大幅下降，進而削弱了脈動熱管內(nèi)流體的熱質(zhì)循環(huán)運輸能力。

為了更加客觀獲得GO-納米流體質(zhì)量分數(shù)對脈動熱管的熱性能的影響，定義熱阻效率ηR為

式中：RW為去離子水條件下的熱阻；RNF為相同運行條件下納米流體的熱阻。經(jīng)計算，添加納米顆粒均可有效降低振蕩熱管熱阻，且隨著加熱強度持續(xù)，GO-納米流體振蕩熱管的強化作用明顯提升。

圖10所示為不同應用條件下的脈動熱管熱阻降低效率。從圖10可見：當納米顆粒質(zhì)量分數(shù)達到0.075%，熱阻為5 429 W/m2時的脈動熱管的熱阻降低效率能達到25%。當持續(xù)添加納米顆粒質(zhì)量分數(shù)達到0.100%時，不但沒有優(yōu)化熱管氣?液兩相流的傳熱與流動特性，反而使脈動熱管的熱性能變差，這進一步證明工質(zhì)的脈動頻率特性對振蕩熱管的熱輸送能力起到很重要的作用。經(jīng)計算得知在高熱流密度下，納米顆粒質(zhì)量分數(shù)為0.100%和0.050%時的熱阻降低程度基本一致，其熱阻降低效率為15%。從經(jīng)濟角度分析，過多的GO-納米粉末是不合適的。

圖10 不同應用條件下的脈動熱管熱阻降低效率Fig.10 Thermal resistance reduction efficiency of pulsating heat pipe under different application conditions

5 結(jié)論

1)隨著熱流密度增加，GO-納米流體在振蕩熱管的主要流型由泡狀轉(zhuǎn)向塞狀流，向環(huán)狀流變化；同時，其蒸發(fā)段流型依據(jù)停滯過程和振蕩過程分別進行演變，冷凝段不僅出現(xiàn)前后氣塞融合現(xiàn)象，還會出現(xiàn)由波浪流引起的長氣塞斷裂過程，絕熱段流型基本保持不變。

2)添加GO-納米顆粒明顯提升了振蕩熱管的顯/潛熱交替熱質(zhì)輸送能力。本文最佳納米顆粒質(zhì)量分數(shù)為0.075%，在q=5 429 W/m2時，其最小熱阻為1.45 ℃/W，相對于去離子水，其熱阻降低效率達到25%。

3)當GO-納米流體質(zhì)量分數(shù)為0.100%時，在蒸發(fā)段處的“剎車停滯”現(xiàn)象增多，從而顯著削弱了振蕩頻率。而在高熱流密度下，納米顆粒質(zhì)量分數(shù)為0.100%和0.050%時的熱阻降低效率一致，均為15%。