单工质及混合工质脉动热管启动和稳定运行数值模拟研究

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1、天津大学硕士学位论文单工质及混合工质脉动热管启动和稳定运行数值模拟研究NumericalSimulationStudyonStart-upandStableOperationofPulsatingHeatPipewithSingleandMixedWorkingFluid学科专业：动力工程研究生：褚辉指导教师：王迅副教授企业导师：颜景山高工天津大学机械工程学院2017年12月摘要脉动热管具有结构简单、传热效率高、适应性能强等特点，已被广泛地应用于电子元器件散热技术中。目前，对于脉动热管运行过程中的两相流动和传热传质机理还未充分揭示，且研究中所使用的工

2、质多为单工质。本文结合脉动热管在启动阶段和稳定运行阶段的特点，对管径为2mm、弯头数量为5的铜制脉动热管建立了数学和物理模型，并使用VOF(VolumeofFluid)多相流模型、CSF(ContinueSurfaceForce)表面张力模型和湍流模型，进行了数值模拟。本文分析了使用丙酮、甲醇、乙醇3种单工质的脉动热管在启动、稳定运行和传热极限阶段的气液两相分布、工质流动和温度变化特性；对比研究了使用上述3种单工质和不同组分比例的甲醇/乙醇和丙酮/乙醇混合工质（体积比分别为1:1,、3:1和7:1），在不同工质充液率(40%、50%、60%)和加热功

3、率(20W、30W、40W、50W、60W)下，脉动热管传热性能的变化规律。研究结果表明，脉动热管在运行过程中，管内工质会形成稳定、单一方向上的循环流动。随加热功率的增加，脉动热管内部会发生局部干涸的现象，相较于乙醇、甲醇两种工质，使用丙酮工质的脉动热管更容易发生局部干涸的现象。对比单工质和混合工质，工质充液率为40%时，在甲醇、丙酮工质中分别加以不同体积比例的乙醇工质，能够有效地避免或延缓脉动热管出现局部干涸的现象；在较大加热功率下，混合工质脉动热管较单工质脉动热管的传热性能更优。在工质充液率为50%时，丙酮/乙醇混合工质脉动热管相较于丙酮工质脉动

4、热管，能够有效地避免或延缓脉动热管出现局部干涸的现象；在较大加热功率下，丙酮/乙醇混合工质脉动热管的传热性能，相较于工质充液率为40%时得到了改善。在工质充液率为60%时，使用混合工质和单工质的脉动热管均未发生局部干涸的现象，混合工质相较于单工质，在传热性能方面并未表现出明显的优势。关键词：脉动热管，数值模拟，混合工质，传热特性，充液率，热阻IABSTRACTPulsatingheatpipehasbeenregardedasaneffectiveheattransferwaytoelectroniccomponentscoolingduetoits

5、advantagesofsimplestructure,highheattransferefficiency,highadaptability,lowcost,etc.Untilnow,thegas-liquidtwo-phaseflow,heatandmasstransferphenomenonhasnotyetbeenfullyrevealedintheworkingprocessofthepulsatingheatpipe,andpulsatingheatpipeworkingfluidsarefocusedonpuresubstance.Th

6、ispapersetupsomemathematicalandphysicalmodelswithquality,energyandmomentumconservationequationsbyusingtheVOFmodel,CSFmodelandturbulentmodeltosimulateandanalyzethepulsatingheatpipeof2mmdiametersand5bendsbasedonitscharacteristicsduringstart-upandstableoperationstagereturnbends.In

7、termsofchoosingworkingfluidstostimulatethegas-liquidtwo-phaseflow,heatandmasstransferprocessandtemperaturevariationcharacteristicsofdifferentworkingfluids(ethanol,methanolandacetone)duringstart-up,stableoperationandheattransferlimitstages,Theheattransfercharacteristicsofethanol

8、-basedbinarymixturepulsatingheatpipewerestudied.Thewor