脉动热管的试验及理论研究现状

刘超翔

沈阳建筑大学市政与环境工程学院（110168）

0 引言

脉动热管又称振动热管，相较于传统热管没有毛细芯，工质依靠管内表面张力作用产生的毛细力回流。 因均温性良好、传热效率高、结构简单、易加工且造价成本低等特点引起了了世界范围内研究者的广泛关注。按照结构形式可将脉动热管分为开放型回路和闭合型回路结构。

目前对脉动热管的研究， 多以回路型PHP 为主，通过实验、理论分析与建模等方法，对热管的可视化、传热性能、强化传热技术及方法等方面开展学术研究。

1 试验研究现状

Khandekar[1]将影响脉动热管传热特性的因素归结为三类:①几何参数:包括管径、管径截面形状、弯头数、蒸发段/冷凝段长度等；②物理参数:包括工质热物性、充液率等；③操作参数:包括放置位置、加热/冷却方式等。 为了探究各因素对热管传热性能的影响规律， 众多研究人员对热管开展试验研究，总结出了各因素对脉动热管传热特性的影响规律及结论。

曹小林[2]等通过对方形和三角形截面PHP 的研究，发现热流密度小时三角形热管性能优于方形热管， 热流密度大时界面形状对传热极限影响不大。商福民[3]等对非均匀截面热管的试验测试，发现非均匀截面在特定条件下PHP 传热性能优于均匀性截面热管。 王超[4]对三角形、梯形、矩形三种不同截面的热管进行可视化研究，得出三角形及梯形截面PHP 的热阻远小于矩形截面热管， 换热系数更高；引入周期性缩扩变截面通道结构，试验结果表明在热负荷较高时，C 型缩扩变截面热管的热阻远小于A、B 型截面，对流传热系数更高，传热性能更为优异。 充液率严重影响着脉动热管的传热性能，取值范围通常为20%～80%。 低充液率容易导致蒸发段出现“烧干”，充液率过大会使蒸发段形成的气泡数减少，削弱热管的震荡效果，故热管存在最佳的充液值。 陈贝贝[5]等对铜-乙烷脉动热管进行试验，发现最佳充液率为50%，且传热性能与充液率呈倒U 型曲线关系。 Miyazaki[6]等则认为脉动热管的最佳充液率与加热方式密切相关。

目前脉动热管采用的工质主要有水、 电子冷却液 FC72、丙酮、R123、乙醇、R141b、R134a 等。 陈静妍[7]对七种工质的脉动热管研究，结果表明低沸点和低汽化潜热工质更有利于脉动热管启动的启动效果，同时选用工质时还应考虑导热系数、黏度以及表面张力等因素。 除纯工质外，褚红蕊[8]等对混合工质展开研究，结果表明，非共沸混合物是建立在恒压、非热的热力学性质基础上的，混合物的种类、配比和填充量与热泵的工作特性密切相关， 以达到热泵的最佳性能。

脉动热管的倾斜角对热管影响的启动及运行特性，史维秀[9]等的试验发现倾角为90°时，传热热阻最低，运行效果最好，理想的倾斜角度是30°～90°，水平放置时容易出现“烧干”现象。

赵佳腾[10]等对不同弯头数的研究发现，在弯头数目相同时， 热阻大小与加热功率大小呈负相关系，加热功率不变时，热阻大小与加弯头的数量呈正相关。现阶段对于脉动热管传热特性的试验研究比较丰富，但由于脉动热管运行过程的复杂和流动的随机性以及试验研究对象的差异，对某些运行机理尚不明确，需要更多的试验测试来完善对脉动热管的认识，为该技术的优化及发展应用打下坚实的基础。

2 理论与数值分析研究现状

在脉动热管的理论研究过程中，涉及毛细力学、传热学、热力学、流体力学等多门学科，可将现阶段的理论研究现状分为4 类理论模型:

2.1 “弹簧- 质量- 阻尼系统”模型

Zuo[11]等将气塞模拟成弹簧，对液塞进行受力分析，建立了“单弹簧-质量-阻尼”模型，而由于该模型过于简化， 没有考虑表面张力及液膜的作用，模拟与试验观测差别较大。Wong[12]等在该模型的基础上联立每组气塞、液塞，建立“多弹簧-质量-阻尼系统”模型，极大地简化了管内工质的运动特征，但传热和相变过程未加以考虑，偏离物理实际，所以缺乏实际应用价值。Ma[13]等利用Laplace 变换，考虑热摩擦力和驱动力的作用，改进了“弹簧-质量-阻尼系统”模型，获得了气、液塞位移的解析解，模拟结果与实验较为吻合，然而，由于该模型忽略了液膜蒸发迁移及表面张力等影响因素，不能准确描述热管的物理规律。 而Nikolayev[14]等基于气、液塞单元的质量、 动量和能量守恒方程所建立的数学模型，能更好的阐述重力、表面张力和液膜蒸发相变传热过程的作用。

2.2 基于容积控制法的数学模型

不少学者借助Fluent 软件， 通过VOF 方法描述脉动热管内气、液界面的位置和运动变化。曲伟[15]等利用三大控制方程，模拟脉动热管内工质的流动情况，建立了理论模型，得总结出PHP 工质的潜热量是总传热量的30%等结论。

2.3 基于神经网络的数学模型

Chang 和Lee[16]利用外源神经网络，介绍了一种分析频域和时域内脉动热管的热动力学方法，证明了在不同操作条件下，脉动热管的热传递是非线性的。 鄂加强[17]等在人工神经网络基础上建立“灰度”关联模型， 其模拟结果与试验有很好的拟合度，仅有4%的误差。

2.4 基于无量纲分析的半经验方程模型

脉动热管内工质流动的复杂性、非线性和机构不稳定性，使得直接模拟极为困难。 为此，许多学者在试验经验的基础上总结出预测热管传热的半经验关联式。 Khandekar 等提出应用无量纲分析的脉动热管半经验模型， 在规定冷凝温度与热流密度时，利用该模型可计算对应的蒸发温度。 依托于大量试验数据拟合得到的关联式，对热管的传热能力预测较为准确，与试验结果吻合度较高。

虽然以上多种模型被大量研究人员建立用来描述热管的物理传热现象，但各类模型都存在其自身的局限性，因而都要满足一定的要求才能使用这些模型。 脉动热管复杂的运行机理任然需要学者们的不断研究和探索。

3 总结及展望

近年来引起了极大的关注。 在实验研究中，研究人员考察了传热性能随某些参数的变化趋势。 同时，理论工作主要集中在对PHP 运行机制的建模或仿真上。 两种研究方法都取得了很大的成果。 本研究通过综合文献综述，对PHP 的试验及理论研究现状以及传热特性有了更深入的了解。 而PHP 技术的应用及研究还存在一些需要解决的问题:

1）尽管已有大量关于气-液两相流的研究报告，但关注液-液系统的相对较少。

2）应分析和建立绩效评价指标与影响因素之间的关系。

3）由于微电子器件尺寸小得多，有必要进一步加强微PHP 的研究，提高其在微电子领域的应用。

4）规模效应和流体性质的变化对PHP 的启动特性有很大的影响，而揭示这一问题的研究工作很少。