环路型脉动热管的稳态运行机制

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1、中国工程热物理学会2003年学术会议传热传质学编号：033117环路型脉动热管的稳态运行机制曲伟马同泽中国科学院工程热物理研究所，北京中关村路乙12号，100080010—62659322，weiqu@mail．etp．ac．cn摘要建立了环路型脉动热管稳态自激循环流动运行机制的物理模型和数学模型。潜热传递决定了运行的驱动力和循环流动的速度；显热传递决定了净换热量的大小。通过关联加热段和冷却段的传热、进出口汽液容积流率、密度、运行驱动力和阻力，对传热和流动进行了耦合求解。结果表明，潜热传热量占总传热量的比例在30％以内：工质循环流动的速度决定了壁面温度波动，温度波动频率

2、的分析结果与实验值基本吻合。关键词：环路型脉动热管、稳态自激循环流动、显热、潜热1引言脉动热管PHP(PulsatingHeatPipe)是一种新型热管，结构必须是采用毛细管，这样才能在管路中形成串接的汽塞和液塞，其运行机制与传统热管完全不同IJ。J。目前，国内外对于脉动热管已经有了一些研究，主要是一些概念性实验和探讨性的理论分析。例如，Akaehi等Ⅳ1建立了自激振动的物理模型；SameerKhandekar等161采用Matlab软件，用人工神经网络的方法对于脉动热管进行了分析；一些研究者”≯1进行了可视化实验，对脉动热管的流型等进行了观测；Faghri等⋯1建立了

3、具有开端管路的薄液膜蒸发、厚液膜冷却模型；WongT．N．等例建立了模型，但忽略了蒸汽塞和管壁面间的液膜，没有考虑表面张力的影响。总之，对于脉动热管的一些关键问题，例如，如何优化设计、如何确定传输极限、温度的波动问题等，还没有得到解决。本文的目的是．导出环路型脉动热管物理机制的模型框架。首先是通过观察到的环路型脉动热管稳态运行实验现象结果，对最常出现的额定工况建立物理和数学模型：然后是考察脉动热管运行的物理机制，包括传热中显热和潜热所占的份额及其对PHP运行的影响、脉动热管的壁面温度波动的原因等。这对于脉动热管的设计具有重要意义。2理论分析环路型脉动热管稳态运行时，一部

4、分液塞处于加热段时，一部分热量以显熟的形式传递给液塞；当加热段的液塞移动到冷却段时，在加热段吸收的显热传递给冷却段的壁面，．再到热沉。由于液塞在毛细管中运动的速度较快，因此显热的贡献也可能是很重要的。本文的模型考虑大功率运行的额定工况，并且得到了总传热量中的相变传热部分和显热传热部分二者的比例。2．1物理模型从对环路型脉动热管可视化实验的观察结果来看，较大功率稳态工作时，汽、液塞处于稳定循环流动状态。假设：(1)加热段和冷却段中的瞬态过程可以忽略：(2)蒸汽和液体处于相应的饱和状态；(3)蒸汽的状态可由理想气体的状态方程描述；(4)脉动热管的壁温波动是由于液塞的显热传递

5、引起。本研究得到胃寡自熬科学基叠(59995550-4)和所长择优基金的资助，在此致谢10562．2数学模型蒸发段和冷却段间由于传热引起的驱动压差4R和摩擦阻力引起的压差4P，、毛细滞后阻力引起的压差4只和重力引起的压差4只平衡：嵋=嵋+扯+啦(1)取脉动热管稳态运行时的一个具有代表性的单元体，包括一段加热段、一段绝热段和一段冷却段。单元体加热段入口的蒸汽密度为p，，出口的蒸汽密度为：n4v(1一九)+；竺n一2—可万=_；了一(2)其中，卢为加热段内的总换热量Q中蒸发换热量的比例：v为汽、液塞运动的速度；A为脉动热管管路流动的横截面积，彳=月4铂；庐。为单元体加热段入

6、口处液体的容积流量占总容积流量的比例，计算时，其值用脉动热管的充液率代入：庐，为单元体加热段出口处液体的容积流量占总容积流量的比例，有：．∞以2唬一茄茏(3)单元体的加热段出口和冷却段入口的液体的容积流量占总容积流量的比例相等，则冷却段出口的蒸汽密度为：p⋯P，一。(1一破)一鲁‰—石瓦i丁一(4)冷却段中，蒸汽的凝结抉热可由液膜的导热方程近似表示为：Q叫一一2砒f毕一I]业巡盟趔(5)将(3)式代入(4)式有：盼盟半H卜焘jj㈣近似取膜状凝结换热公式的液膜厚度平均值：覆=t3s[!!：}：j：；·2旁]。”=t．ts[-z!!i墨耋-{；劳]。”c·，其中，瓦取(死+

7、功／2。蒸汽的饱和压力和饱和温度之间的关系为：P=肚r(8)其中R为气体常数。根据(8)式，加热段和冷却段之间的压力差为：A只=n州只‘一n删RI(9)管路中液塞的流动可处理成泊松(Poiseuine)流：嵋=警卜华+以(卜华)]㈣，式中，v是液塞的移动速度，Ⅳ是液体的粘度，三是加热段和冷却段间液塞运动的当量长度，面是脉动热管的内径。考虑到(3)式有：嵋=警№一焘MH+彘]]Ⅲ，液塞在毛细管中运动，前进方向的前端存在前进接触角，后端存在后退接触角。因1057为这两个接触角不同，而产生了毛细滞后阻力。这个阻力是由液塞两端弯月面的曲率不同，相