兩相閉式熱虹吸管傳熱性能的實驗研究與數(shù)值模擬

兩相閉式熱虹吸管傳熱性能的實驗研究與數(shù)值模擬本文簡述了熱管的分類、工作原理及特性,并從固有參數(shù)和操作條件兩個方面介紹了近年來兩相閉式熱虹吸管強化傳熱的研究進展。目前許多研究者對兩相閉式熱虹吸管展開了大量的研究,但由于實驗可視化困難、影響因素眾多且存在協(xié)同作用等因素,導致針對兩相閉式熱虹吸管的傳熱機理難以進行深層研究,且研究成果存在許多分歧。本文分別制造了兩支外形尺寸相同的銅-水兩相閉式熱虹吸管,檢驗了其有效性,其中一支為普通兩相閉式熱虹吸管,另一支為蒸發(fā)段帶有內(nèi)插件結(jié)構(gòu)的兩相閉式熱虹吸管。兩相閉式熱虹吸管總長610mm、無效長度10mm、蒸發(fā)段長200mm、絕熱段長100mm、冷凝段長300mm,管殼由內(nèi)徑8mm、壁厚1mm的T2紫銅管制成。搭建了兩相閉式熱虹吸管傳熱性能實驗臺,針對加熱功率、傾角及內(nèi)插件結(jié)構(gòu)對兩相閉式熱虹吸管傳熱性能的影響展開研究,實驗中加熱功率分別設定為200W、275W、350W、425W、500W,傾角分別設定為30o、45o、60o、75o、90o。同時本文建立了兩相閉式熱虹吸管的數(shù)值模型,驗證了數(shù)值模型的可靠性并對兩相閉式熱虹吸管傳熱性能及內(nèi)部傳熱傳質(zhì)和流動過程進行模擬研究。應用數(shù)值模擬從傳熱性能的影響因素分析了實驗結(jié)果,獲得了傳熱機理。結(jié)果表明:本文所提出的模型實現(xiàn)了兩相閉式熱虹吸管內(nèi)部流動和傳熱過程的模擬,利用可視化模塊可對實驗中兩相閉式熱虹吸管傳熱性能變化趨勢及其內(nèi)部傳熱機理進行進一步的研究和預測。兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段熱阻隨加熱功率的增大而先減小后增大,總熱阻、冷凝段熱阻隨加熱功率的增大而單調(diào)減小。從模擬結(jié)果的可視化中可以發(fā)現(xiàn),氣泡的形成、碰撞、合并等行為是加熱功率影響蒸發(fā)段傳熱性能和傳熱機理的主要原因,隨著加熱功率的增大,蒸發(fā)段傳熱機理逐漸由混合對流向核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變,當傳熱機理為核態(tài)沸騰時,蒸發(fā)段傳熱性能最佳。冷凝段蒸氣流速隨加熱功率的增大而增大,在氣-液界面剪切力的作用下,削弱液膜厚度、降低液膜導熱熱阻并增強蒸氣與銅質(zhì)壁面對流換熱強度,改善冷凝段凝結(jié)傳熱,此為影響冷凝段傳熱性能的原因之一。在不發(fā)生傳熱惡化的前提下,對于蒸發(fā)段傳熱性能而言最佳傾角為60o,相比于傾角為90o的條件下,兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段熱阻降低12.1%。從模擬結(jié)果的可視化中可以發(fā)現(xiàn),存在傾角條件下,因兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段上下兩側(cè)受到不同的上浮驅(qū)動力,而影響上下兩側(cè)壁面氣泡合并、脫離等過程,從而影響兩相閉式熱虹吸管的蒸發(fā)段傳熱性能。兩相閉式熱虹吸管冷凝段熱阻在傾角為45o時達到最小值,相比于傾角為90o條件下,五種加熱功率下的兩相閉式熱虹吸管冷凝段熱阻平均降低10.7%?？偀嶙杈?0o時達到最小值,相比于傾角為90o的條件下,四種加熱功率條件下兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段熱阻平均降低8.8%。對于帶有內(nèi)插件兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段性能隨加熱功率的增大而先減小后增大,當加熱功率為275W時蒸發(fā)段熱阻、總熱阻均達到最小值,從模擬結(jié)果的可視化中可以發(fā)現(xiàn),加熱功率較低的條件下,內(nèi)插件結(jié)構(gòu)使蒸發(fā)段內(nèi)形成更多的氣化核心,而加熱功率過高的條件下,內(nèi)插件結(jié)