毫米级微管径热管的试验与模拟研究

2019-03-15曹甜甜张志刚

天津城建大学学报 2019年1期

曹甜甜，张志刚

（天津城建大学能源与安全工程学院，天津 300384）

热管是具有较高传热效率的两相热量传输元件，其优势在于利用较小的传热面积和温差就能够达到使用要求.热管已被广泛应用于航空航天、计算机中央处理器CPU散热、余热回收和冶金工业等诸多工业领域[1-4]，成为解决热量传输等问题的一种有效技术手段.重力热管是利用重力作用使冷凝液回流而进行热量传输的一种热管，它既具有一般热管传热效率高、等温性良好以及环境适应性较强等优点[5]，又由于结构加单、价格低廉被广泛用于热能综合利用和余热回收.

中国天津城建大学研究人员2011年首次提出了一种新型被动式太阳能利用技术——热管置入式墙体（the wall implanted with heat pipes，简称 WIHP），该技术将微管径重力热管与墙体相结合，利用室内外温差进行热量传输，巧妙地解决了外围护结构保温性能与利用天然冷热源的矛盾[6].WIHP中微管径热管起到传递热量的关键作用，其能否正常工作，直接决定了热管置入式墙体能否正常运行.为了研究微管径热管的传热性能，使之能在WIHP中最大化利用太阳能，本文采用可视化实验与数值模拟相结合的方法，针对蒸发段和冷凝段均相通的毫米级微管径并联集束热管，分析和探讨了热管内部汽液两相流的流动特征和换热机理.

1 实验介绍和模拟设置

1.1 实验介绍

实验系统主要由加热装置、冷却装置、充液及抽气装置、试验段（热管）和测量装置等组成，如图1所示.加热装置由恒温水箱提供热管蒸发段所需恒温水，冷却装置采用水冷或空冷冷却热管冷凝段，抽气设备采用真空泵，测量装置采集Aglient 34970A高速数据采集仪采集温度.为进行可视化实验，热管由石英玻璃制作，上部横管端部设充液及抽气口，热管总长500 mm，内径4 mm，壁厚2 mm，根据其形式的对称性，布置了其温度测点.热管形式及测点分布如图2所示，蒸发段与冷凝段长度比为1：1.

本实验的目的主要是为了与数值模拟结果作对比，来验证模拟中所建模型的正确性，实验中主要测试热管壁温以及观察热管蒸发段工质流动状态.

图1 试验系统原理示意

图2 实验所用热管形式及温度测点分布

1.2 模拟设置

本文建立二维几何模型，采用FLUENT中VOF模型进行数值模拟，具体过程分为两部分.

（1）GAMBIT网格划分.为了更好地捕捉边界附近工质的流动和热交换，管壁处采用边界层网格.此外，由于热管内部工质的流动和传热受气液表面张力的影响较大，所以采用非结构化四边形网格[7].局部网格划分如图3所示.

（2）FLUENT设置.FLUENT设置：求解器形式为Pressure-Base，选用瞬态模拟，考虑重力，多相流模型选用VOF，湍流模型为k-ε，开启能量方程，添加工质与管壁材料，设置气态为主相，液态为第二项，启用蒸发冷凝模型，设置边界条件，蒸发段为恒壁温，冷凝段为对流换热，为使计算收敛更快，选用PISO压力-速度耦合算法，格林高斯梯度插值（Green-Gauss Cell Based），设置初始化条件并标记充液高度.

图3 热管网格划分的局部放大效果

2 实验研究与数值模拟结果对比分析

实验测试和数值模拟中，热管内充液高度（充液高度是指在底部横管充满液体的基础上，立管内所充的液体的高度）为150 mm，压力为0.033 MPa，热管倾角为90°，工质A，蒸发段加热温度为40℃，冷凝段采用空气冷却，室温为17℃.

（1）微管径热管的温度分布.在WIHP中，重力热管的关键作用是热量的传输，热管工作时的温度分布，体现了整个热管传热性能的好坏，是热管传热性能的重要指标之一.表1为热管各测点的试验测试温度值与模拟温度值，从表中可以看出，试验测试和模拟得到热管上各测点温度的最大差值分别为0.84、0.67 K，二者都能体现热管良好的均温性.由于实测误差和模拟简化造成了测点温度值在数值上有差距，各个测点的试验测试值均较模拟值低2℃左右，模拟误差大约是试验测试值的5.5%左右，模拟与试验值都呈现了相同的规律.

表1 热管各测点的试验温度值与模拟温度值 ℃

（2）微管径热管的气液分布.为进一步分析热管的传热性能，模拟得到了热管内气液分布规律，并将模拟结果和实验现象进行了对比.在气液分布方面，外界热量通过蒸发段管壁传递给热管内的液态工质，液态工质吸热蒸发，产生饱和蒸汽，饱和蒸汽在管内成蛇形上升，在冷凝段放热冷凝变为液体，液体沿管壁回流至蒸发段，并且回流过程中在管壁上形成一定厚度的液膜.图4为热管试验与模拟现象的对比，从图中可以看出，模拟结果与试验结果基本一致，热管内产生了明显的气液充塞现象.

综上分析可知，模拟所得到的热管温度分布、气液分布均合理，且与试验现象和数据基本一致，误差在可接受范围之内，模拟方法合理.

图4 热管模拟与实验现象的对比

3 数值模拟分析

以下模拟结果均在蒸发段加热温度为40℃，冷凝段空气温度为17℃，管内初始压力为0.033 MPa，工质为A的条件下得出.

3.1 不同充液高度条件下微管径热管的传热特性

（1）冷凝段温度与充液高度的关系.热管冷凝段的温度分布直接关系到WIHP传热性能的好坏，图5显示了4 mm热管在不同充液高度条件下热管冷凝段的温度分布情况.其中，温度测点根据热管冷凝段高度等间距设定.从图中可以看出，随着充液高度的增加，冷凝段的温度逐渐升高，尤其是475 mm处测点的温度明显升高，充液高度为0 mm时该测点温度为310.98 K，充液高度为250 mm时为311.72 K，提高了0.74 K.在不同充液高度下，随着热管高度的增加，热管壁面温度均逐渐降低.充液高度从0～250 mm所对应的最高测点与最低测点的温差分别为0.51，0.19，0.15，0.09，0.05，0.03 K，可见随着充液高度的增加冷凝段顶端与低端的温度差逐渐降低.当充液高度在0～100 mm之间时，热管冷凝段温度变化较大，且充液高度越小变化越大.当充液高度在100～250 mm之间时，热管冷凝段的温度变化较小，均温性良好.

图5 不同充液高度条件下热管冷凝段的温度分布

（2）气液分布与充液高度的关系.热管管内是两相流动，当热管传递热量增加时，蒸汽量增加，液膜变厚，因此可通过液膜的厚度分析热管的传热能力.图6为不同充液高度下冷凝段的液膜厚度.图中测点1～10依次由下而上排列，间距为25 mm，其中测点1设置在蒸发段与冷凝段交界处.由于冷凝段顶端横管的存在，立管与横管连接处的液膜厚度会受到横管影响较大，因此只将最高测量点设置在了立管高度为475 mm的位置.从图中可以看出，随着冷凝段高度的降低，液膜厚度逐渐增加，但相同距离液膜厚度增加量逐渐变小，因冷凝液通过重力作用沿管壁回流，当重力大于壁面黏附力时，随着高度的降低冷凝液速度逐渐增大，液膜厚度增加趋势变缓.当充液高度为0 mm时，冷凝段各个测点处液膜均相对较薄.当充液高度为50 mm时，各个测点的液膜厚度均增加0.018 mm左右.当充液高度为100 mm时，液膜厚度进一步增加，但若继续增加充液高度，液膜厚度几乎没有变化.因在稳定状态下，随着充液量的增加，热管蒸发段内液态工质的蒸发量逐渐增加，冷凝段蒸汽的冷凝量也逐渐增加，液膜逐渐变厚，当热管达到传热极限后将无法传递更多热量，因此在冷凝段无法冷凝更多的蒸汽，液膜厚度无法继续增加.充液高度为150 mm和200 mm的液膜厚度曲线有相对较大的波动，因为该充液高度下，测点4和6恰好设置在了该充液高度下液膜的波谷和波峰的位置.

图6 热管冷凝段液膜与充液高度的关系

已有研究结果[8]表明，当充液高度小于干涸临界充液高度时，会发生干涸极限，而当充液高度大于蒸发段长度时，液体在冷凝段易发生过冷现象，甚至会发生周期性爆裂沸腾.因此，为了保持热管稳定有效运行，充液高度应介于干涸临界充液高度和蒸发段高度之间.图7显示了不同充液高度下热管底部横管及其附近的气液分布情况（phase 1代表液体体积分数）.从图中可看出，充液高度为0和50 mm时，并没有液池存在，当充液高度高于100 mm时，随着充液高度的继续增加，底部横管和立管底部的液体体积分数明显增加，液膜更加突出，横管中气泡也较为明显.由此可见，为保证热管连续稳定的运行，充液高度在100～250 mm之间较为合适.

图7 不同充液高度下底部横管及其附近的气液分布

3.2 不同管径条件下微管径热管的传热特性

由于受到墙体厚度及内外表面结构的限制，WIHP所用热管必须是毫米级的微管径热管，而对于毫米级的热管，热管管径的大小会对整个热管的传热性能有较大的影响.为选择合适的管径，本文模拟研究了蒸发段长度比为0.5的情况下，不同管径（内径分别为 2，4，6，8 mm）热管的传热效果.

（1）冷凝段温度与管径的关系.图8显示了不同管径热管冷凝段温度的分布情况，可以看出，不同管径热管相同高度测点最大温差不超过0.14 K，同一根热管冷凝段最大温差不超过0.2 K，四种管径的热管都体现了良好的均温性，但就此四种管径的热管而言，随着管径的增加，热管均温性逐渐下降，2 mm热管均温性最好，8 mm热管均温性最差.随着热管管径的增大，管内脉动现象逐渐变弱，2 mm热管具有强烈的脉动现象，而8 mm热管中几乎不存在脉动现象.强烈的脉动现象可以使管内蒸汽更易到达热管顶端，同时增加管内的扰动，破坏管壁处的液膜，使得蒸汽可以直接与管壁接触，增强换热效果，因此，脉动现象更有利于热管的均温性.

值得注意的是，当管径增加一个数量级，管内的冷凝段温度随管径的变化规律恰好与图8中所显示的相反，即随着管径的增加，冷凝段的均温性越好，冷凝量也增大[9].这是由于对于大管径的热管，管内没有脉动现象，管径越大，蒸汽越容易上升到热管顶部，且冷凝段与外界接触面积增大，更有利于热管与环境换热，壁面温度更易均匀.

（2）气液分布与管径的关系.图9为不同管径热管冷凝段液膜厚度随冷凝段高度的变化规律.从图中可以看出，随着热管管径的增加，液膜厚度在整体上逐渐增加.2 mm管径热管的液膜厚度随着冷凝段高度的增加波动较大，各测点间液膜厚度相差较大.在300 mm处的冷凝段液膜厚度最大为0.221 mm，而处于热管冷凝段下部250，275 mm处的液膜厚度较薄，分别为0.089，0.075 mm，与最大值相差约为1.5 mm.4 mm热管冷凝段液膜厚度也存在波动，但波动幅度较小，在275 mm处液膜最厚为0.102 3 mm.6 mm热管冷凝段液膜厚度的波动进一步减小，且液膜厚度自上而下逐渐增厚.8 mm热管冷凝段液膜厚度基本不存在波动，液膜从上而下几乎呈线性规律逐渐增厚.不同管径热管冷凝段的上部液膜厚度变化趋势基本一致，越靠近热管顶端液膜越薄.总体来说，对于毫米级热管而言，管径越小，冷凝段液膜厚度的波动性越明显，随着热管管径的增大，冷凝段液膜厚度逐渐增大，8 mm热管冷凝段底部液膜最厚为0.126 mm.

虽然在稳定状态下，蒸发段吸收的热量等于冷凝段释放的热量，但是，热管内部狭小的反应空间内，不同时刻的气液分布不同，且没有规律.热管内工质流动的平稳性与壁温的稳定性直接相关，当壁温稳定时，热管内工质的流动平稳性较好，反之，则热管内工质流动会出现波动，导致热管传热性能下降[10].由于随时间的推进，8 mm管径的热管内气液分布状态变化较小，液膜波动较小，因此热管温度较为稳定.此外，随着热管内径增大，管内气液充塞现象逐渐减弱，使得横管中堆积的气体减少，液态工质更易回流至横管，立管中液注高度降低，管壁处液膜的面积增加，由于液膜传热系数远大于液池，因此将更有利于热管的传热.