脉动热管传热性能模拟研究*

景艳阳，鲁祥友

（安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

脉动热管拥有结构简单、传热能力突出、有较高的抗烧干能力[1]、适应多种工作环境等优良特点。所以热管技术应用于电子设备散热、土建工程节能、热能动力工程、太阳能光伏发电和余热利用等多个领域[2]，其中还包括在细胞快速冷冻和超导磁体冷却新领域的应用[3]。国内外学者从各方面对可能影响脉动热管的各种因素进行了大量的模拟及实验研究。影响脉动热管的传热性能一般有几何参数、运行参数、物理参数等[4]。

Charoensawan 等[5]通过实验研究表明，脉动热管热阻会随着匝数的增加而降低。徐金柱等[6]对单环路液氢为工质的脉动热管进行CFD 模拟，研究结果表明，充液率80%的脉动热管热阻随加热功率的增加先减小后稳定，温度振荡的频率是随加热功率的增加先增大后稳定。J.Venkata suresh等[7]对两环路甲醇作为工质的脉动热管进行了CFD 模拟研究，分别对比了60%、70%、80%三种填充率，研究结果表明甲醇充液率为60%时性能最优，热阻随热输入的增加而减小，传热系数增大。H N Reddappa 等[8]对丙酮为工质的脉动热管进行CFD 模拟，研究结果表明，热阻随热量增加而减小，充液率为60%时，热阻降低性能最优。

大量的研究结果表明，计算流体模拟可以对脉动热管的实际工作过程，进行更加完整和精确的模拟和分析。本文建立常规均匀直径脉动热管，通过对不同环路数的脉动热管进行模拟，对液塞流动特性、体积分数、温度及压力变化等进行分析。

1 几何模型及模拟条件

1.1 几何模型

如图1 所示，建立环路1-3 管径为2mm 的脉动热管模型，对0.5mm、0.35mm、0.1mm、0.05mm 四个网格尺寸进行有效性验证，对比精度及时间选定网格尺寸为0.35mm。脉动热管总长度为150mm，垂直放置底部受热，蒸发段长度35mm，绝热段80mm，冷凝段35mm（多环路中间环路冷凝段25mm），管内真空度4000Pa，充液率50%，欧拉三相分别是空气、水蒸气和液态水。分别在脉动热管的每个管道高1mm、20mm、120mm、139mm、149mm 处设立测点，分别记录处理每个测点温度、压力等参数的瞬时数据。同时将整个运行过程液体体积分数变化过程记录为动画。考虑到管材实际使用和工质的相容性，钢材与水相容性优良，最大腐蚀程度为0.05mm/年，所以，本次模拟管材选择钢，壁厚0.5mm，运行工质选择常规液体水。

1.2 控制方程及其他条件

采用Fluent 中的VOF 模型，可以很好地追踪脉动热管内在气液相变时，包括蒸发、沸腾、冷凝和气液塞产生及融合等复杂的变化过程。使用PISO 进行瞬态计算，跟踪相与相之间界面的连续性方程为：

式中，ρ：密度，kg/m3；t：时间，s；v：速度，m/s；S：质量源项。

假设管内工质为不可压缩流，对于不可压缩多相流，压力修正方程为：

其中:

ρrk：kth相的相位参考密度（定义为相k 的总体积平均密度）；v'k：kth相的速度修正；v*k：当前迭代时vk的值，速度修正本身表示为压力修正的函数。

边界条件设置：蒸发段边界条件为恒定热通量10000W/m2，冷凝段环境温度为20℃，其它部分为绝热。

2 模拟结果分析

2.1 脉动热管启动分析

脉动热管是蒸发段加热、冷凝段降温造成工质温度振荡，与工质循环过程相变产生压力波动共同作用作为运行的主要动力。压力分布与液相分布状态可以很直观的解释脉动热管工作状态。为了更清楚明显地观察到脉动热管启动状态，以三环路脉动热管的启动状态进行分析。图2 是三环路脉动热管启动阶段压力及液相分布云图。脉动热管未启动前设置是真空状态，当蒸发段受热，每个蒸发段的U 型结构压力都开始上升，最中间的U 型环路压力增幅最大，如图2（a），并且通过通道向两侧释放压力，虽然每个U 型蒸发段热通量接近一致，但可能由于整个脉动热管结构最外侧环路与中间环路距离最远，压力最低，相互影响程度最小，而且连接外侧回路的低压冷凝段比中间环路的冷凝段长，所以同一时间内压力增长速度相对最弱。由于脉动热管管径均匀，结构呈轴对称状态，所以结构左右两侧压力分布同样对称，变化幅度对称，造成如图2（b）所示的液相流动状态，液相向冷凝段流动的高度一致。

图2 0.02s 压力及液相分布云图

随着蒸发段不断接收热量，壁面温度升高，形成汽化核心，产生的小气泡受热膨胀与对面壁面气泡接触融合成气塞。其中蒸发段的弯头部分气塞产生及生长速度和程度基本小于竖直管段。分析原因，一方面竖直管段的气泡从壁面产生并生长，其汽化核心沿受竖直压力梯度的影响，气塞主要依靠上下压力差形成。而由于结构差异，弯头部分的汽化核心压力梯度向四周发展基本呈发散状态，而且启动阶段液相主要集中在脉动热管结构底部，受重力影响，弯头处的压力主要依靠壁面持续受热发生变化。由于启动压力左右对称分布，所以液相高度呈现为以结构中轴对称的上开口抛物线，如图3。当脉动热管最外侧液相上升至冷凝段，液塞气塞冷凝换热，气泡破碎，引起压力变化同时随着蒸发段加热，液膜蒸发，左右两侧管道产生压力差。当其中一侧管内压差在抵消液体重力、流动阻力、毛细阻力后不足以支撑液塞继续上升时，工质液相开始停滞或者逆向运行，推动另一侧液相向冷凝段运行。通过观察对比1-3 环路脉动热管运行过程，单环路脉动热管工质最终以顺时针方向形成单向循环流动，2-3 环路脉动热管最终形成逆时针单向循环。而且环路数量的增加减少了工质启动时左右振荡循环的次数，最终形成单向循环的时间减少，有效传热的时间增加，优化了传热性能。

2.2 环路数对脉动热管传热性能的影响

图3 0.25s 液体体积分数分布云图

蒸发段温度都是随时间的增加先上升，后降低并形成持续稳定的振荡。蒸发段温度波动幅度较大是由于液体不断接收热量，当热量累计到一定程度，液体被压力推动向冷凝段运行，蒸发段液相减少，气塞迅速升温，当液相回流至蒸发段温度降低。对比同一充液率不同环路数的温度变化曲线图发现，温度突升程度和振荡幅度都随着环路数的增加而减小，而且蒸发段温度达到持续稳定振荡所需的时间随环路数的增加而减少。由于壁面热通量固定，脉动热管环路数增加的同时，总加热功率增加，换热面积增加；同时由于环路数增加，工质形成单向循环时间减少，稳定的单向循环流有助于脉动热管进行稳定的传热，优化传热性能。蒸发段稳定的温度变化说明蒸发段液相传热稳定，无“烧干”现象，不易达到传热极限。

图4 不同环路数蒸发段温度随时间变化图

3 结论

本文对直径2mm 的1-3 环路的脉动热管进行模拟分析，分析得出以下结论：

（1）均匀直径脉动热管启动时左右两侧压力分布呈对称状态，工质上升幅度同样对称。弯头气泡产生融合速度小于竖直管道。

（2）单环路脉动热管形成顺时针循环，2-3 环路形成逆时针循环。脉动热管左右振荡循环次数随环路数增加而减少，形成单向循环时间减少，传热性能提高。

（3）随着环路数的增加，蒸发段温度突变程度降低，达到稳定持续振荡所需时间减少，温度稳定的振荡说明脉动热管传热效率稳定，无“烧干”现象。增加环路数有助于提高传热极限。