论文部分内容阅读
脉动热管无传统热管的毛细芯结构,由包含蒸发和冷凝的毛细管或多个U形槽道组成。脉动热管通道当量直径较小,表面张力的作用使汽液两相容易形成间隔的汽弹和液弹,蒸发段和冷凝段的温度梯度引起的压差是液弹脉动的驱动力。脉动热管的传热方式主要为液弹脉动的显热传热,是未来高热流密度散热器件的主要途径。同时热管通道内的振荡流动及汽液界面形态的变化也是微反应器等化工微过程和设备研发的重要方面。本文实验和理论地研究了表面润湿性能对脉动热管内汽液界面形状、液弹的脉动和传热性能的影响。制备了润湿性能分别为超亲水、亲水、紫铜、疏水和超疏水表面的脉动热管,对应表面的平均接触角分别为0°、12.9°、73.4°、141.5°和155.5°。脉动热管的工作介质为去离子水,加热方式为垂直底部加热模式。一系列的可视化观测发现,超亲水和亲水脉动热管的液弹脉动剧烈程度大于紫铜脉动热管,液弹脉动过程中在液弹尾部壁面沉积一层液膜,随着加热功率的升高和壁面亲水性增加,液膜沉积的长度增加,即相变传热面积增加,脉动热管传热性能提高。脉动热管的弯管数为6时,超亲水和亲水脉动热管平均汽液界面长度比紫铜脉动热管增加了43%-406%和0%-106%,平均液弹脉动振幅分别增加了0%-196%和0%～120%,液弹脉动的平均速度分别增加了0%-344%和0%-300%。与紫铜脉动热管相比,超亲水和亲水脉动热管传热性能分别提高了5%-15%和15%-25%。超亲水表面的微结构滞留液体增加了壁面的附加热阻,传热性能低于亲水脉动热管。而疏水脉动热管在整个运行过程中无液弹脉动的现象,传热性能显著下降。实验研究了完全超疏水脉动热管和蒸发段为超亲水,冷凝段和绝热段为超疏水的组合表面脉动热管的传递性能。超疏水表面自由能较低、滞后角小、液滴在表面容易移动。可视化实验发现,与紫铜脉动热管汽液界面呈凹界面不同,超疏水表面汽液界面呈凸界面。组合表面脉动热管汽液界面的长度显著大于完全超疏水脉动热管。与紫铜脉动热管相比,组合脉动热管液弹脉动的平均振幅和平均速度分别增加了0%-116%和0%～347%,传热性能提高了5%-20%。而完全超疏水脉动热管液弹脉动的平均振幅和速度分别下降了5%-100%和15%-100%,而且脉动热管蒸发段出现部分烧干,蒸发段的温度显著升高,蒸发段的传热系数显著下降,传热性能降低了10%-35%。模拟分析了接触角对汽液界面形状及其对液弹脉动和传热性能的影响。考察了液弹脉动过程中前进角和后退角对液弹脉动振幅、速度、潜热传热量和显热传热量的影响。研究发现,汽液界面的传热面积随着壁面接触角的降低而增加。液弹脉动的振幅和速度随着表面润湿性能的提高和脉动热管内径的增加而增大。与紫铜脉动热管(θa=85°,θr=33°)相比,超亲水脉动热管(θa=1°,θr=1°)液弹脉动的最大位移和速度分别增加了47%～75%和70%-97%,液弹尾部液膜的厚度和动态弯月面的长度随着表面接触角的降低而增加,超亲水脉动热管液膜厚度的最大值比紫铜脉动热管增加了42%～-57%,动态弯月面长度的最大值增加了19%～-26%,热阻降低了65%～-73%,传热性能显著提高。在非圆形微通道中,由于表面张力的作用冷凝液体向微通道的尖角处聚集形成弯月面和薄液膜两部分,沿着微通道冷凝的方向,薄液膜和弯月面区逐渐发生变化。环状流与间歇流的转变位置发生在汽液界面呈圆柱形的位置。本文模拟计算分析了非圆形微通道中环状流向间歇流转变过程汽液界面的形状的演化规律,研究了流型转变的位置或环状流的长度。理论分析结果与实验结果吻合良好,平均相对偏差为30.5%,平均绝对误差为5.15mm。基于模型计算结果,引入了一个新的参数-弯月面面积比(MAR)建立了非圆形微通道中流型转变位置的无因次关联式。