脉动热管传热能力增加的方法文献综述

1、脉动热管传热水平增强的方法一、脉动热管的原理脉动热管是20世纪90年代出现的一种新型热管,由日本的Akachi1,2最早提出.其基本工作原理是：将管内抽成真空后充注局部工作介质,由于管径足够小,管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态.在蒸发端,工质吸热产生气泡,迅速膨胀和升压,推开工质流向低温冷凝端.那里,气泡冷却收缩并破裂,压力下降.这样,由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡,使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动,从而实现热量的传递.在整个过程中,无需消耗外部机械功和电功,完全是在热驱动下的自我震荡,传热原理图如图1.由此可见,脉动热管传热主要依靠管内工质的气液振荡

2、来传递相变潜热和显热,传热量较大而且传热速度较快,在此过程中还有膨胀功等作用.由于其主要利用工质相变和脉动传热,有一定的随机和自适应机制,当热流密度很大,气泡膨胀很快,从而使液体总能及时的回流到加热段,在一定范围内可以自我调节.所以有些研究发现脉动热管具有一定的自我修复等功能,传热恶化后可以在适当的范围内调节并回归到稳定运行状态.冷却段-热热段r-加热段图1传热原理示意图小管径和冷热端反复的折弯是形成振荡热管的两个根本条件.此外还具有如下根本特点：不需要吸液芯；可以有多个加热段和冷却段,绝热段可有可无；无需外加动力,自激振荡；外表张力占主导地位,但重力也影响传热性能；自激振荡的工作流体同时传递

3、潜热和显热；尤为可贵的是,对其结构和设计参数进行优化后,其运行性能根本不受重力作用的影响,因此能在重力场倒置、微重力场及重力场变化等环境下运行.二、脉动热管的结构形式H.Akachi在其1990年的专利1中,首次罗列了24种不同形式的回路热管.它们在结构上均为封闭回路,且至少有一个流向限制阀,保证流体在回路中沿单向流动.这些新型回路热管能克服常规热管的缺点,诸如毛细极限和输送极限等.由于流向限制阀存在长期运行不可靠的问题,Akachi在1993年的专利2中提出了无流向限制阀的新型回路热管,并且提出了开式回路和闭式回路两种结构.总之,脉动热管的结构形式可以很灵活,但是根本结构是不变的,如图2.图

4、中第四种是板式脉动热管,制造过程是在上下盖板加工出槽道,然后组装在一起,密封起来,就形成热管的管道.图2脉动热管的根本结构与普通的热管相比,脉动热管的结构和传热形式有着自身的特点,见表1.表1脉动热管和普通热管的比拟内铃热显传递形式吸液芯普通热管一般大于加甘n潜热它细尺度显热、潜热,膨胀功无由于脉动热管的结构和传热机理,与普通热管相比,脉动热管具有如下优点.(1)优越的传热性能：脉动热管传热形式有显然、潜热和膨胀功,传热水平强.振荡热管没有普通热管所特有的传热限制在适宜的充液率下,热流密度可以很大而不会烧干.Nishio等3的实验结果说明：充有50%的R142b、内径为0.5mm的玻璃管式振荡

5、热管,在竖工作时传输的热流密度可达1000W/cm2,显著高于普通吸液芯热管(50W/cm2).(2)结构简单紧凑、本钱低：脉动热管由毛细管组成,管径只需满足一定的毛细尺度,管径小从而决定了整体尺寸小；脉动热管不需要吸液芯,使得其结构简单、生产容易从而减少了生产本钱；而且脉动热管的动力来自于其本身,无需外部动力设备,没有运动部件,从而降低了运行和维护本钱.(3)结构灵活、适应性强：脉动热管的各段可以任意的弯曲,管路加工形式多样化,参见图3,形态结构各异,即使在较大的热流密度变化范围下,脉动热管也可以稳定运行,并且可以有多个加热段以及冷却段,可以在多种角度下运行,这就进一步增加了脉动热管的适应水

6、平,从而使应用领域得到了扩展.图3脉动热管的结构形式(4)使用广泛：由于其灵活紧凑的结构形式,独特的传热机理,脉动热管开拓了热管技术应用的范围.在改善材料的性能、地板采暖4、空调排风预热回收等领域得到了应用.、脉动热管的研究现状A.理论研究脉动热管传热有着复杂的两相流形式,在加上根据使用环境和要求不同,传热性能变化很大,很难建立一个准确的数学模型来准确的描述脉动热管的相变传热.各国学者,特别是国外的学者对此作了很多工作,下面将介绍一些具有代表性的数学模型5.(1)弹性阻尼系统模拟.该方法用一个或多个弹性阻尼来模拟管内流体的振荡流动和压力的波动.其核心思想是把加热和冷却过程看作是两个外界扰动源,

7、并用拉格朗日方法来描述流体的运动特性,可预测气液柱的长度,分析充灌率的影响等.其缺点是过于简化蒸发和冷凝过程,只强调吸热或放量的数量,而忽略了相变过程中出现的重要物理现象,如气泡的生成、膨胀、合并、收缩及破裂等等.因此,该模型缺少物理意义,与实际结果相差太大.(2)应用经典的三大守恒方程求解.通过选取限制单元,对其进行质量守恒、动量守恒及能量守恒的分析,建立其相应的微分方程组,最后用数值计算方法求解.在现有的这类模型中,考虑用一些经验公式去模拟蒸发过程和冷凝过程及气液柱的动力特性等.从这个意义上讲,其模型较前一种有所改良.但是,模型的复杂程度大大增加,并作了很多假设.另外,尚不能反映气泡的合并

8、和破裂过程,流型及流态的转换过程,振荡流动的混沌性等.因此,离实际预测还有差距.(3)混沌理论.考虑到脉动热管内流体的流动和振荡现象十分复杂,具有相当的随机性和不可确定性,且影响因数众多.因此有人试着用混沌理论去解释.但是该理论是否适用尚有待进一步验证.(4)人工神经网络预测.该方法模拟人脑的思考过程,通过对已有知识的反复学习和映射,去解决一些类似的未知问题.一个好的神经模型非常容易使用,使用者只需提供输入参数,模型会自动预测结果,且结果准确.它特别适用于解决多参数影响的高度非线性问题.当然,对建模者来说,为了编制一个好的人工神经网络模型,需事先收集大量的原始资料作为学习样本,并经过反复的练习

9、和调整过程.这通常意味着需要有大量的实验数据作为前提条件.(5)实验关联式.建立在实验根底上的经验或半经验的无量纲表达式或准那么关联式等,通常是行之有效的方法.但应注意实验条件及适用范围.综上所述,目前,国内外对于脉动热管的理论研究还处于在探索摸索阶段.这些模型都只能够反响出脉动热管传热的某些方面的规律,尚不能很准确的模拟脉动热管内在的传热机理.脉动热管传热的理论是窄通道内气液两相的变化规律,而这一理论也是目前传热传质领域研究的难点和热点.B.脉动热管的实验研究现状脉动热管自出现以来辈受各国学者的关注,很快成为了研究热点.根据脉动热管传热所受的影响因子,各国学者开始大量的实验研究.脉动热管虽然

10、结构简单,但是传热机理复杂,各种因子影响其传热性能和启动运行情况.Khandekar6将影响脉动热管传热特性的参数归结为三类：几何参数：包括管径、管道界面形状、弯头数、总长、蒸发/冷凝段长度等；操作参数：包括放置位置、加热/冷却方式、是否带有单向阀等；物理参数：包括工质热物性、充液率等.这些因子最终通过影响脉动热管的传热量和热阻来影响总体热力性能.它们相互之间也有制约作用,关系如图4.传热后充液率而体摩擦阻力相箔通道时的传热作用横截间形状及尺寸J-liJj被司总体热力性能比热容潜热饱和HUJ流体粘,度表而张.接触用流体热物件参数图4脉动热管传热特性的影响因子笔者将分别从这三个方面几何参数、结构

11、参数、物理参数总结最近国内外学者对于脉动热管传热性能的实验研究.一几何参数弯头数fWpnmI-r.1topPi1Wwn口2mmRi0WrnmI-c1nunDi-=O1W.n1,5hieDiwSOmmI1rmDia1tOnunI上.ImmDi05101520253«NumberoflumsCharoensawan7等在常规条件下,通过各种参数研究了水平放置式环路脉动热管的传热特性,热管的材料是铜.从所得的实验结果中发现水平放置式脉动热管的启动运行取决于蒸发温度,而蒸发温度又和弯头数有关.两者的关系见图5.7»画SO图5弯头数和启动温度的关系图5发现了临界弯头数而且加深了我们对

12、弯头数的理解.临界弯头数是脉动热管作为传热设备运行时的最小弯头数,取决于蒸发器的温度和热管的内径.从图上可以看出,当Te>70C,内径为2mm时,水平放置式脉动热管只有在临界弯头数为11时才开始运行；而对于内径为1.5mm和1mm的脉动热管来说,只有临界弯头数到达16时才能运行.所有的蒸发段长度都表现出了这种趋势：蒸发温度越低,临界弯头数越多.在Te=60C,内径为2mm时,水平放置式脉动热管的临界弯头数增加到16,所以蒸发温度越高,管子内径越大,临界弯头数就越低.2管径大小管径往往和弯头数,工质类型一起综合影响脉动热管的传热性能.在特定的工质下,热管,脉动热管管径有着一个范围.管径须足

13、够小I8,使得液塞和气泡能够在外表张力的作用下共存,最大内直径可由下式确定：dmax式中,i分别为液体工作介质的外表张力和密度；g为重力加速度.常用工作介质对应的最大管径如下：水,d=5.54mm;丙酮,d=3.36mm;乙醇,d=3.25mm;R142b,d=2.04mm.如果管径太小,那么克服毛细力的压头就要明显升高,从而影响振荡效果.通常管径的取值范围为：0.7igdi1.8ig(2)Charoensawan9等研究指出在蒸发器和冷凝器温度差一定的情况下,适当增大管径或者增加弯头数都能改善传热性能.(3)管道界面形状目前对于界面形状的研究的文献不多,我国的商福民10-12等在变截面方面做

14、了较多工作,取得了一些结论性的成果.其理论依据是,根据脉动流热管的工作原理可以看出,要想进一步强化其传热量过程,除了强化管内汽液介质以及汽液介质与管壁之间的传热外,另一个是要提升其振荡频率和运行的循环动力.从提升运行的循环动力出发,可以采用两种大小不同的管径交替布置,以构成非均匀截面的自激振荡流热管,使管内流体在加热端受热后沿较大的管径快速膨胀,并流向冷凝端.而在冷凝端冷凝后的液体那么沿着较细管道流回加热端.由于大小管径的曲率半径不同,其液膜产生的外表张力也不同,由此获得的附加循环动力为：22P(3RR2式中：外表张力系数；R、R2不同管径的曲率半径.研究得出的结论是：无论是上部加热、中部加热

15、还是下部加热,不等径脉动热管与等径脉动热管相比都起到了强化传热的效果,但不同的加热位置随着加热功率的变化强化传热的效果存在一定差异.相比之下,当上部加热处于最正确的强化传热效果时,不等径自激脉动热管的传输功率是等径自激脉动热管的1.5倍；当中部加热处于最正确的强化传热效果时,到达了3.5倍；当下部加热处于最正确的强化传热效果时,到达了2.3倍.同时,这样的不等径脉动热管也改善了热管的启动性能.Khandekar13等人发现,脉动热管采用矩形截面的运行性能要好于圆型截面或圆管.曲伟14-16等人研究正方形截面,等腰三角形和正三角形截面的脉动热管传热特性.在加热功率和充液率相同的情况下,三角形热管

16、的热阻比正方形热管的热阻低,等腰三角形比等边三角形的热阻低.周岩17研究发现当管径一定时,正三角形截面热管的热阻值要低于正方形截面热管.当截面形状一定时,水力利直径稍大(1.5mm)的热管的热阻值低于水力直径稍小(1mm)的热管的热阻值.(4)蒸发段和冷凝段的长度影响Charoensawan7等研究了脉动热管的蒸发器长度对传热性能的影响.实验条件是一环行脉动热管,蒸发器的温度是80C,26个弯头,得出的结论是随着蒸发器长度的增加,热阻就增加,性能就下降,图6给出详细的实验结果.20J6.12O.IM眦no54)urn»Evupurituiikdi|：lti(nun)图6蒸发器长度对热

17、阻的影响从图上可以看出,最大的传热水平发生在蒸发器的长度为50mm,其原因可能是更短的长度可以使得工质的摩擦压降降低,工质更容易能够从蒸发段流向冷凝段.研究还指出在任何填充率、蒸发器温度和弯头数的情况下都有着相同的趋势.冷凝段的长度也影响着脉动热管的性能,如果太短,其冷却的水平不够强,会影响热管的散热水平.冷凝段的长度也跟冷却方式有很大的关系,目前常用的冷却方式主要是恒温水浴和强制对流.(二)操作参数(1)放置位置脉动热管的放置位置对其传热水平有着很大的影响,安装位置一般有竖直、水平、倾斜放置.热管的方向9对热管有着两方面的影响,一是重力场对热管的影响,二是弯头对流体的时间和空间上动态压力的影

18、响.张显明和杨洪海18,19等研究了倾斜角度对脉动热管的影响,由于两人的实验条件不同,得出结论不太一致.张显明对以FC72为工质的脉冲热管进行了实验研究,在倾斜角度q=0°10.时,脉冲热管传热性能对角度极为敏感,加热段温度随着倾斜角度的增加急剧下降；当q=10.15.时,加热段温度反而略有上升；当q=15.30.时,加热段温度又缓慢下降；而当倾斜角度q=30°90.时,加热段温度变化很小,倾角对传热性能几乎无影响.杨洪海在对内径分别为1mm和2mm的细铜管弯曲而成的40弯头脉动热管试验装置上,采用R123、水和酒精为工作介质,研究了倾斜角及充液率对脉动热管传热性能的影响.

19、结果说明：在相同的热负荷下,当倾斜角从+90°逐渐转到0°,最后转到-90.时,平均蒸发温度有不同程度的提升；在较低负荷下,倾斜角对运行性能的影响比拟明显.马永锡等人对管式铜水闭合回路振荡热管的传热性能进行了实验研究.得出的结论是：传输功率随倾斜角度增加呈增长趋势,但增加的速度逐渐减小,0°时性能最差,90.传热效果最好,90.时的传输功率约为0.时的34倍；70.至90.是最为理想的安装角度范围,其次是45.到70.曹小林21等对铜乙醇闭式回路脉动热管进行实验研究,研究了倾斜角、充液率及弯头数目等对传热性能的影响,得到的最正确倾斜角范围为70°90&#

20、176;,最正确充液率为50%左右.由此可见,倾斜角一般是和充液率、弯头数一起影响脉动热管的性能的.(2)加热方式的影响加热方式对热管的性能有着很大的影响,常用的加热方式有均匀加热脉动加热.脉动热管内的振荡是由于热冲击而引起的,以脉冲加热代替常规的连续热源加热有利于增强管内脉动机制,提升循环动力,促进传热.冼海珍22,23等人研究了脉冲加热对热管传热性能的影响,得出的结论是脉动加热能够提升热管的脉动频率,增强热管的传热性能.脉冲宽度和脉冲间隔改变时,其传热性能亦发生变化,并指出存在最正确的脉冲加热参数.加热方式也会影响热管的启动.启动时间和启动温升作为脉动热管启动特性的两个评价指标.启动时间定

21、义为脉动热管受热开始到循环开始所经历的时间,时间越短那么脉动热管启动越迅速,进入稳态运行的时间越早.启动温升那么指启动前的最高温度和稳定运行时的温度之差,启动温升太高会超出设备允许的温度范围,从而影响设备的性能.短时间内的迅速启动和适宜的温升将决定脉动热管在实际中的应用.刘玉东24等研究了热管启动过程,发现采用低加热功率下伴随有明显温度波动的显热启动过程和高加热功率下的光滑连续启动过程,两者的差异很大,详见图7.从图上可以看出启动时间没有太大差异,但启动温升前者较大.图7有温度波动加热和均匀加热的启动过程(3)充液率的影响充液率为工作介质的总体积占振荡热管内部总容积的百分比,往往和工质、弯头数

22、已经放置位置一起综合影响热管的传热性能.从本质上来说,充液率是决定脉动热管的传热性能的因素,其他的因素只是可能辅助增强换热性能.假设充液率太大,管中的气体较少,就不能形成很强的扰动,工质流动较慢,换热效果自然就差；假设充液率过小,那么管内的液体较少,在蒸发段就容易烧干,出现运行不稳定.对于每个热管都会存在一个最正确充液率,但是最正确充液率范围与管内径、加热模式、热负荷及工质种类等因素有关.Zhang,丫25指出充液率一般在20%80%之间,对于一些典型热管实验(弯头数少于20),最正确充液率一般在40%左右.Charoensawan7等研究了充液率和热阻的关系,实验条件是2mm直径,26弯头数

23、的水平环路热管.蒸发器的温度是90C,采用的工质是水和酒精,蒸发器的长度是150mm和50mm.得到如下列图8曲线.图8充液率和热阻的关系从图上可以看出对于150mm的蒸发器,最正确充液率是30%,而对于50mm的蒸发器,最正确充液率是30%50%,这个范围内热阻没有太大变化.杨洪海19等人研究充液率和倾斜角对热管性能的影响,对内彳5为1mm的脉动热管充注酒精,采用三种加热模式水平加热,垂直顶部加热,垂直顶部加热.随着充液率的增加,热阻先下降,随后又增加,存在一个最正确充液率范围,在该范围内脉动热管的热阻较小.其中,垂直底部加热模式下的最正确充液率范围较宽,为30%70%;水平加热模式下的最正

24、确充50%70%指出在液率范围为40%70%;垂直顶部加热模式下的最正确充液率范围较窄,为工程应用中,最正确充液率可近似取管内总体积的55%左右.王宇26等人研究了充液率对单回路的脉动热管启动的影响.研究了单环路脉动热管在不同充液率30%,50%,70%下的启动、运行情况.实验过程中观察到高充液率下50%,70%管内工质的主要流型为塞状流,低充液率下30%主要流型为环状流；启动过程中管内工质左右振荡,运行中工质呈现较稳定的单向流动；50%及70%充液率下脉动热管能够顺利地启动运行；较低的充液率30%影响到热管的正常启动和稳定运行；采用运行热阻评价热管运行中的传热效果,结果说明,70%充液率的传

25、热效果优于50%充液率.C.物理参数1工质对脉动热管传热的影响不同的工质其物性参数不同,其传热性能有着很大的不同,常用的工质一般是水、氟利昂和酒精等.1995年,美国Argonne国家实验室首次提出纳米流体的概念：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子,形成一类新的传热工质.由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级,因此悬浮有固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大很多.大量的实验研究说明纳米流体的导热系数明显地高于其基液的导热系数在强化传热方面和沸腾传热方面都有巨大的潜能.商福民27,28等人研究Cu/水纳米流体对传热性能的影响.得出的结论是充液率是决定振荡热管传输功率的关键

26、因素,尤其是针对工质为纳米流体的振荡热管.传统的热管最正确充液率范围应该上调.与工质为蒸储水的振荡热管相比,在相同条件下,Cu/水纳米流体作为振荡热管工质,在很大程度上可以起到强化传热的作用.并指出在高热负荷时纳米流体和纳米颗粒沉积溶液热传输性能所表现出的“反常现象,可能是由于热管充液率相对较低、纳米颗粒“团聚以及稳定剂的影响.MaHB29,30等人研究金刚石/水纳米流体振荡热管.实验管为铜管,其内径为1.65mm,外径为3.18mm,蒸发段与冷凝段的长均为0.6m,绝热段为10.2m,弯头24个.金刚石纳米颗粒粒径为550nm,体积份额为1%.实验发现纳米流体导热率从0.5813W/mK上升

27、到1.0032W/mK,以这种纳米流体作为工质的振荡热管,传热性能明显改良.LinYH31分析比拟了Ag/H2O纳米流体铜脉动热管在不同的浓度10-4、4.5X10-4、各种填充率20%、40%、60%、80%和在不同的加热功率5、15、25、35、45、55、65、75、85W下的实验结果.其中Ag纳米颗粒粒径为20nm,振荡热管的内径2.4mm,蒸发段、绝热段、冷凝段长度分别为22、113、35mm,弯头10个.实验结果说明中间的填充率40%、60%比较好,60%的效果比40%还好,较好的浓度是104;进一步分析还发现加热功率为85W时,蒸发段与冷凝段的温差被降低7.79C,热阻被降低0.

28、092C/Wo曲伟等研究了纳米流体的数值模型32.将相变传热项合理引入了汽塞能量微分方程；液塞动量方程中考虑了剪切力的影响；纳米流体的物性采用了当量处理方法.采用数值迭代方法进行了求解,得到了汽塞压力、温度、质量的变化波形,分析了波形的频率,进而解释了初始条件、重力等对脉动热管的流动与传热影响的机理.冯剑超33等建立了脉动热管的可视化实验台,对以体积分数为1%的TiO2/H2O和CuO/H2O纳米流体及基流体为工质、55%充液率的脉动热管性能进行了实验研究.结果说明,工质静止时,纳米颗粒在脉动热管中会发生沉淀,但工质的运动能够使沉淀纳米颗粒再次悬浮；随着温度的升高,纳米颗粒的悬浮稳定性减弱；与

29、基流体工质相比,纳米流体脉动热管的最小启动功率低,启动时间较短,工作温度低,传热热阻小,温度波动振幅小、频率高；纳米流体能大幅提升脉动热管的传热性能,工作温度为110c时,蒸储水、TiO2/H2O及CuO/H2O脉动热管的传热热阻分别为0.23C/W、0.11C/W和0.13C/W；两种纳米流体脉动热管的传热性能接近.相变胶囊也能强化传热,原因是微胶囊流体内含有微小的颗粒,有利于形成汽化核心,此外其比热和汽化潜热都较大,密度较小,呈乳胶状,有利于工质在管内产生振动.汪双凤34等人对胶囊流体的传热性能做了研究.将外径为2.5mm、内径为1.3mm的铜管加工成四环脉动热管,在不同工质(3%的FS3

30、9E型微胶囊流体、乙醇、水)和充液率(40%80%)下探讨了脉动热管的启动特性,以及工质和充液率对脉动热管热输送性能的影响.结果说明：脉动热管的启动与充液率、热驱动力和工质有关；相比于乙醇和水,微胶囊流体作为工质时,脉动热管具有较宽的工作范围,尤其在高充液率的条件下,热管表现出良好的启动性能和热输送性能.林梓荣35等人对不同浓度微胶囊流体与水在不同加热功率下的热阻的实验研究.发现在加热功率为50W以后,微胶囊流体作为工质表现出优于水的热输送水平.其中微胶囊流体最优浓度为1%,在加热功率为80W时,较水为工质时,热阻降低了0.349C/W,提高了传热极限.而0.5%微胶囊流体的曲线根本与水的曲线

31、相近,2%、3%的微胶囊流体的热输送性能强化作用稍稍差于1%时的.指出了强化传热的原因可能是.1微胶囊流体富含相变粒子,微粒在工质蒸发冷凝流动中,增强了管内的扰动效应；微粒与管壁接触也利于形成工质的汽化核心；微胶囊流体呈现乳胶状态,在工质蒸发冷凝的过程中可能形成较纯水更好的连续状态,此外微胶囊流体的密度较水小,热容却与水相近,在同样的热驱动力下,能加速工质在管内蒸发冷凝的运转速度；.4微胶囊流体在50W后出现明显强化热输送性能的拐点,可能是由于此时相变微粒发生了相变,使得管内单一物质的相变传热转变为两种物质(基液和微胶囊粒子)的混合相变,蒸发冷凝的流动更为复杂造成的.冼海珍和陈传宝36,37等

32、人研究了声空化外场对传热性能的影响.脉动热管传热强化方法可以分为自激强化与受激强化两大类.自激强化即没有外场作用的强化方法：非均匀截面热管和采用纳米流体工质的均属于自激强化.受激强化即通过施加外场强化热管传热的方法：脉冲加热与声空化强化传热的方法即归于此类.前面已经列举文献阐述了脉冲加热强化脉动热管的传热方法是可行的.声空化是指向液体中辐射超声波并使声强到达一定阈值时,在液体中出现的微小汽泡束随着声压的变化做脉动、振荡并伴随有生长、收缩以至破灭的现象.声空化能产生局部高温、高压、冲击波和微射流等现象,使传热传质显著增强.有研究说明,对于单相流,声空强化能够显著增强换热效果.将声空化用于脉动热管

33、可具有双重效果：既可以强化热管外流体与管壁之间的对流换热,同时,由于它可以产生脉冲热流,因而对热管内的脉动机制也会产生影响.冼海珍研究说明：在不同的声空化强度下,声空化脉动热管传热均大于常规脉动热管；在相同的加热温度下,声空化脉动热管的当量导热系数均大于常规脉动热管.陈传宝研究说明：声空化外场对脉动热管传热性能有显著影响,在某些工况下声空化外场可以加速热管的启动,提升热管传热性能,但亦出现施加声空化外场反而削弱传热的现象.可见,声空化外场对脉动热管具有独特的作用,其特殊的规律,以及内、外场之间的藕合机制亟需进行更加深入的研究.四、脉动热管的应用8目前对脉动热管的研究还处于实验和理论建模探索阶段

34、,但由于其自身的优点,许多脉动热管产品从实验室中走出来,在工程实际中得到了应用.(1)电子元件散热随着电子科技的进步,电子元器件的体积越来越小,集成度越来越高,功耗也越来越大.传统的空气自然或强制对流散热显然已不能满足电子技术开展的需求,迫切需要开发小而轻、强散热水平、低本钱的新型传热装置.脉动热管可以作为一种高效的导热元件广泛地应用于电子元器件冷却领域.同管式振荡热管一样,板式振荡热管也可以弯制成各种形状,以适合于安装空间,可用作导热基板,也可用作散热翅片.图9为日本TSHeatronics公司开发的用于IntelPentium42.8GHzCPU无风扇散热器NCU-1000,主体和散热翅均

35、由铝-HFC134a板式振荡热管制作,具有散热效率高、无噪声、安装方便等优点.图9NCU-1000振荡热管CPU散热器图10为应用振荡热管冷却IGBT(绝缘栅双极晶体管,InsulatedGateBipolarTransistor)的装置图.该装置的优异性能,与其他冷却产品相比,明显地减少了安装空间.图10利用振荡热管冷却IGBT但其较低的导热2000W/mK,比(2)改善原材料的传热性能不锈钢因具有抗腐蚀、高强度、卫生、有光泽等优点应用于许多领域,性能限制了它的应用范围.由不锈钢板制作的板式振荡热管的导热系数约为原不锈钢板的导热系数高出120倍,同时保持了不锈钢原有的优点.因而可广泛用于加热

36、、保温冷却等热限制场合,如用于制造厨具、医疗卫生器具、物理化学精密仪器等.管式振荡热管应用于地板采暖系统,具有热响应快、温升高、节能等优点,与传统的聚乙烯管式采暖系统相比,该系统可节省30%的能源消耗.五、脉动热管研究方法A,可视化研究1999年,在第11届国际热管会议上,Gi38采用毛细玻璃管制作了可视的脉动热管,可定性地观察到气塞和液塞在玻璃管内的上下脉动,从此便引发了对脉动热管的大量研究.可视化是可以给研究带来很大好处的.目前可视化研究的手段一般都是采用玻璃毛细管进行研究,文献39-47采用可视化手段研究了热管的启动和运行情况.Kawara48等尝试用质子射线技术(ProtonRadio

37、graphy)对一平板开槽型脉动热管的流型作可视化研究.PHP板的总体尺寸为190mmX50mmX1.3mm,采用开式回路结构,单个矩形槽横截面的尺寸为0.6mmX0.7mm.浙江大学的王雷49采用电容层析成像技术测量了两相流的参数,识别流体的流形.B.统计方法脉动热管的传热性能受受到多方面因数的影响的,这些因子之间的关系是复杂的和非线性的.马永锡50等人采用统计方法分析铜/水闭合回路振荡热管传热性能与充液率、倾角、热量输入间关系.首先应用中央复合设计对试验进行安排,然后采用最小二乘法拟合试验变量与响应间关系,最后采用方差分析研究3个因素及其交互影响的程度.结果显示：二阶方程模型较好地反映了传

38、热功率与影响因素间的关系；3个因素对传热功率的影响都是显著的,其中倾角的影响最为显著,但它们的交互影响不明显；在研究的范围内,最正确充液率和最正确倾角随加热水流量的增大均有所增加.C.正交试验手段正交实验设计是一种实验设计方法,通过研究多因素、多水平的实验来优化设计,它是根据正交性从全面实验中挑选出具备“均匀分散,齐整可比等特点的有代表性的点进行实验.正交实验设计是一种高效率、快速、经济的实验设计方法,该方法可以有效的解决以下问题：(1)通过实验数据分析,掌握各影响因素对实验结果的作用,分清各因素作用的主次顺序,从而找出主要因素以及次要因素；(2)可以合理的优化设计,选出到达最优化时各个因素所

39、取的水平值；(3)分析因素与指标的关系,找出自变量和因变量的相互关系,指出变化的规律和趋势,用于指出进一步实验的方向.天津大学的毛欣欣51采用正交实验手段,由分析结果判断出影响极限功率的因素的主次顺序为：充液率工质倾角.1 AkachiH.StructureofaheatpipeP.may1,1990.2 AkachiH.Structureofmicro-heatpipeP.jun.15,1993.3 ShigefumiN,ShinichiN,TeruyukiK.StudyonThermalPerformanceofSEMOSHeatPipeJ.NipponDennetsuShinpojium

40、uKoenRonbunshu.2002,39th(Vol.1):127-128.4 KimJS,ImYB,KimYS,etal.Developmentoftheunder-floorheatingsystemusingoscillatingcapillarytubeheatpipeJ.2003,21(4):1-8.5杨洪海,SameerKhandekar,ManfredGroll.脉动热管技术的研究现状及前沿热点J.东华大学学报(自然科学版).2006(3):134-138.6 GrollM,KhandekarS.Pulsatingheatpipes:achallengeandstilluns

41、olvedprobleminheatpipescienceJ.2002.7 CharoensawanP,TerdtoonP.Thermalperformanceofhorizontalclosed-looposcillatingheatpipesJ.AppliedThermalEngineering.2021,28(56):460-466.网马永锡,张红,庄骏.振荡热管一一一种新型彳寺的传热元件J.化工进展.2004(9):1008-1013.9 CharoensawanP,KhandekarS,GrollM,etal.Closedlooppulsatingheatpipes:PartA:pa

42、rametricexperimentalinvestigationsJ.AppliedThermalEngineering.2003,23(16):2021-2021.10商福民,刘登瀛,冼海珍,等.采用不等径结构自激振荡流热管实现强化传热J.动力工程2021(1):100-103.11商福民,刘登瀛,冼海珍,等.非均匀截面自激振荡流热管内热传输特性实验研究J.热能动力工程.2007(2):201-204.12商福民,冼海珍,刘登瀛,等.自激振荡流热管非均匀截面强化传热实验研究J.工程热物理学报.2006(4):638-640.13KhandekarS,SchneiderM,SchaferP.

43、ThermofluiddynamicstudyofflatplateclosedlooppulsatingheatpipesJ.MicroscaleThermophysicalEngineering.2002,4(6):303-318.14李玉华,曲伟,袁达忠.角管脉动热管的结构和尺度效应研究J.工程热物理学报.2021(12):2102-2104.15李玉华,曲伟,周岩.角管脉动热管的流动和传热分析J.工程热物理学报.2021(8):1367-1369.16周岩,曲伟.脉动热管的毛细管结构和尺度效应实验研究J.工程热物理学报.2007(4):646-648.17周岩.脉动热管的性能研究D.中

44、国科学院研究生院(工程热物理研究所),2007.18张显明,徐进良,施慧烈.倾斜角度及加热方式对脉冲热管传热性能的影响J.中国电机工程学报.2004(11):224-229.19杨洪海,韩洪达,ManfredGroll.倾斜角及充液率对脉动热管运行性能的影响J.动力工程.2021(2):159-162.20马永锡,张红.低于临界通道弯数振荡热管的传热特性J.北京化工大学学报(自然科学版).2005(4):87-90.21曹小林,王伟,陈杰,等.环路型脉动热管的工质流动和传热特性实验研究J.热科学与技术.2007(1):56-59.22冼海珍,刘登瀛,商福民,等.脉冲加热对振荡流热管传热性能的影

45、响J.工程热物理学报2021(8):1363-1366.23冼海珍,商福民,刘登瀛,等.自激振荡流热管脉冲加热强化传热实验研究J.工程热物理学报.2006(3):457-459.24刘玉东,周跃国,周小三,等.脉动热管启动及运行问题研究进展J.昆明理工大学学报(理工版).2021(1):67-73.25ZhangY,FaghriA.AdvancesandUnsolvedIssuesinPulsatingHeatPipesJ.HeatTransferEngineering.2021,29(1):20-44.26王宇,李惟毅.充液率对单环路脉动热管启动运行的影响J.中国电机工程学报.2021(17):79-85.27商福民,刘登瀛,冼海珍,等.振荡热管内不同形态纳米颗粒流动及传热特性J.化工学报.2007(9):2200-2204.28商福民,刘登瀛,冼海珍,等.自激振荡流热管内Cu-水纳米流体的传热特性J.动力工程2007(2):233-236.29 Ma,B.H,Wilson,etal.AnexperimentalinvestigationofheattransportcapabilityinananofluidoscillatingheatpipeJ.2006,128(11):4.30 MaHB,WilsonC,BorgmeyerB,etal.Effectof