脉动热管特性的数值模拟与实验研究

• 作 者: 李达
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 脉动热管 高速电机 热性能 数值模拟 可视化实验

高性能平流层飞艇的研制再次提上日程,对于高速永磁无刷直流电机的研究需求也变得紧迫,其面临的一个重要问题是电机的散热问题。基于此工程背景,考虑到脉动热管在高热流密度小型化设备上的广泛应用,提出采用脉动热管的电机散热方案。虽然脉动热管有着高效的传热性能,但是对其工作机理的认识仍然存在不足。因此本文旨在研究脉动热管的流动和传热特性,为工程设计和应用提供必要的基础。基于合理的假设,简化三维脉动热管模型编写了一维脉动热管的设计计算程序,对不同管径、不同工质、不同边界条件、不同初始设计参数下的脉动热管管内工质的温度、压力、气液界面的位置变化、流速和潜热传热量,可以快速给出特定工况下的设计结果。计算结果表明,加热段壁温越高,管内工质的流速波动幅度越大,温度波动频率变化不大。小管径下,水的潜热传热功率略高于乙醇和甲醇,相差不大;在大管径下,潜热传热功率远高于小管径下的结果,水的潜热传热功率是乙醇和甲醇的两倍左右。为了更好地了解脉动热管内气液两相相变传热的机理及影响因素,采用可视化试验方法,研究了甲醇、乙醇、去离子水和CTAC溶液的不同加热功率、充液率下的流动形态、启动特性和热性能。结果表明:可视化实验观察到管内产生了泡状流动、弹状流动、半环状流动和环状流动。不同工质随着加热功率的提高启动特性变好,启动时间变短。低加热功率下,不同工况下的热阻相差不大,高加热功率下,热阻远小于低加热功率下的结果。在对可视化实验结果认识基础上,数值模拟研究了脉动热管在不同加热功率、不同充液率、不同真空度、不同放置角度等参数下,稳定运行状态时对热性能的影响规律。结果表明:在一定范围内,加热功率越高、充液率越高、真空度越高竖直放置下的热阻最小,脉动热管的热性能最好。