单环形振荡热管的数值模拟研究

张 涛，左洪桃，王立鹏，王欣彦，唐嘉璐

(沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110000)

随着科学技术的发展，电子产品更新换代的速度越来越快，市场对于高效散热器的需求也越来越大。振荡热管又名脉动热管，产生于20世纪90年代初期，是优于普通热管的一种新型独特传热原件。它是由蛇形毛细管组成的，内部充满换热工质，一般情况下包括三个部分：蒸发段、绝热段、冷凝段。与传统热管相比，振荡热管具有独特的特点：内部结构简单，外部配置灵活，传热能力强，传热极限高，加热方式灵活，成本低等。因此能够广泛应用于电子元器件散热，太阳能集热器，余热回收，地板采暖，运输制冷等各种涉及传热的领域，尤其用于小空间高热流密度的换热场合，具有极好的发展前景。

近年来，国内外研究者对振荡热管进行了大量的数值模拟和理论分析，但依然有待完善。其中，徐德好等[1]对板式脉动热管在不同加热功率条件下的流体流型演化和相变传热特性进行研究，通过数值模拟得到了泡状流、柱塞流、环状流是该型热管内的主要流型。Liu和Chen[2]对平板振荡热管的热流体流动进行了数值分析，得出了不同填充比下平板振荡热管的气液两相流流型和温度分布。李培生等[3]对振荡热管初始化和运行过程中气液两相的运动过程进行数值模拟，结果表明：管内工质循环的重要动力来源是气泡的产生和形态变化。Ling等[4]设计了二维和三维的振荡热管，并对其在电子冷却条件下的温度振荡传热特性及流型进行了实验研究。Zhao等[5]以双支路闭环振荡热管模型为基础进行了数值模拟研究，揭示了不同热源模式下(非均匀脉冲热源模式、均匀脉冲热源模式和交替热源模式)振荡热管内部工质的运动规律和传热机理。现有的相关研究多是模拟流形且存在众多假设，和实际运动状态依然有很大区别。

本文基于VOF方法建立了振荡热管模型，并使用Fluent软件对热管内部的工质流形进行了数值模拟。通过分析振荡热管内部介质温度、气液两相流速度和管内压力，对热管的启动和循环机理以及热管运行的安全性进行了研究。

1 建立模型

1.1 VOF (volumeoffluid)方法

VOF方法是一种广泛应用于研究不相互混合的流体界面的追踪方法。在此模型中，各流体的体积分数和是1。通过计算各相的体积分数来确定界面位置，并对其进行研究。

1.2 模型参数

数值模拟所使用的模型为单环闭式振荡热管，管内工质设定为水，整体结构分为加热段、绝热段和冷凝段三部分，模型总长为72mm，热管内径为2mm。振荡热管的结构及网格划分见图1，底部为加热段，顶部为冷却段。采用恒热流密度的边界条件，加热功率为40W。充液率设置为60%，迭代步长为10-5s。

图1 振荡热管结构网格图

2 模拟与分析

通过FLUENT数值模拟，得到了在t=2秒，振荡热管内部流体介质的场量分布。计算分析结果如图2、图3、图4、图5所示。

图2 温度场

图3 速度矢量图

图2为振荡热管内部介质温度场云图，下部白色对应的为高温区，对应的最高温度为459K，上部白色对应的为低温区。图3为气液两相流速度矢量图，从图中可以看出，气液两相流处于循环运动状态。

图4 相图

图4为振荡热管内汽液两相流的相图，图中黑色的部分表示液体，灰色部分表示汽体。从图4可以看出，在正常温度范围内，振荡热管内部的液膜是完整的，如图4所示。当温度持续升高，液膜就会逐渐蒸发直至蒸干，造成安全的威胁。图5 为压力等值线图，可见由于管内压力的变化，推动液柱在管内做振荡循环运动。

图5 压力图

3 结论

对振荡热管进行建模和对热管运行过程进行数值模拟，得到的结论有：

(1)振荡热管在运行过程中，气液两相流处于循环运动状态。

(2)在正常温度范围内，振荡热管内部的液膜是完整的，当温度持续升高，液膜就会逐渐蒸发直至蒸干，造成安全的威胁。

(3)由于管内压力的变化，推动液柱在管内做振荡循环运动。