劉建紅+商福民

摘 要：文章采用Mixture模型對脈動熱管內的流動和傳熱現象進行了數值研究，結果表明脈動熱管在1s時刻已經熱啟，在5s時刻已經達到穩(wěn)定。從氣相的體積分數云圖看到熱管內出現小氣泡聚合成大氣泡，并逐漸形成液塞與氣柱的現象，從氣相速度云圖中看出脈動熱管內呈穩(wěn)定的振蕩流運動，且氣液兩相運行速度相對穩(wěn)定，其數值模擬結果能為脈動熱管的運行機理提供理論基礎。

關鍵詞：Mixture模型；脈動熱管；振蕩流

引言

隨著計算機等電子科技產品逐漸朝小型化、多功能化、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，更加迫切需要低功耗、低成本的新型散熱元件，傳統(tǒng)傳熱裝置多有賴于增強空氣的對流散熱效果，已不能滿足實際需要。脈動熱管[1-3]具有結構簡單、運行高效、可在多種重力環(huán)境下工作特點的振蕩熱管必將在越來越多的領域得到應用，脈動熱管發(fā)展時間不長，因而對它的研討還處于初步階段，論文相對較少。目前各國學者對脈動熱管的研討主要以實驗為主[4-5]，主要是為了研究它的操作過程和現象，研究管徑[6]、加熱位置[7]、管內工質[8]、充液率[9]等因素對脈動熱管運行和傳熱效果的影響。數值模擬作為現代物理研究的一個重要手段，被越來越多的應用到科學研究和生產實踐中，因有良好的可視化結論和精確的數據分析，能夠對理論和實驗研究方式進行有效補充，使彼此相互印證。本文采用混合模型（Mixture Model）模擬脈動熱管內傳熱和流動現象，揭示氣液兩相流速度場分布和運動規(guī)律。

1 幾何物理模型和數學模型

1.1 幾何模型和邊界條件

本文以文獻[10]的實驗臺為依據，建立二維幾何模型，內徑為0.004m，高為1m。管壁材質為紫銅，脈動熱管內抽真空后充入59.82%的無水乙醇，因脈動熱管為規(guī)則結構，網格劃分時并未采取分區(qū)和局部加密方式，整個計算區(qū)域采用四邊形網格，生成網格數大約為200000。

邊界條件時是把脈動熱管劃分為四個區(qū)域，分別是下部為蒸發(fā)段，加熱溫度設置為573K，兩邊為絕熱段，熱流密度為0，上部為冷凝段，設置冷凝溫度為372K。

1.2 數學模型

本文采用的混合模型（Mixture Model）是多相流模型的一種簡化，可以模擬計算兩相或多相流中各相以不同速度運動的流體問題。通過求解混合相的連續(xù)性方程、第二相的體積分數方程，以及相對速度的代數表示來實現多相流體的模擬計算。

守恒方程：

2 計算結果的分析與討論

2.1 不同時刻氣相體體積分數分布云圖

圖2中分別為Mixture模型在1s、5s、10s時的氣相體體積分數分布云圖，從圖中可以看出：在1s時刻只在在脈動熱管的加熱段和冷凝段有明顯的氣相存在，其他位置還是液相存在，隨著加熱的進行，氣相逐漸充斥在脈動的各個部分，氣液兩相互相夾帶，混合流動，5s時刻氣液兩相相互夾帶、混合流動，隨時間增加在10s時刻，氣泡增多，逐漸聚合成長，液相與氣相逐漸分離，形成液塞與氣柱，在流動過程中液塞與氣柱交替出現，形成活塞式流動，并且逐漸達到穩(wěn)定。說明隨著時間的進行，液相無水乙醇在脈動熱管的蒸發(fā)段吸收熱量，迅速氣化并膨脹，壓力增大，向冷凝段運動并被冷凝釋放出熱量，壓力降低，使冷熱端形成很大的壓差，促使脈動熱管內的無水乙醇產生強烈的往復振蕩流動，往往頻率也大，釋放的熱量就會越多。

2.2 不同時刻氣相體積分數比較

圖3為不同時刻氣相體積分數沿脈動熱管中軸線分布均呈水波形狀，波峰位置顯為氣塞所在位置，波谷為液塞所在位置，說明脈動熱管內形成明顯的汽-液柱塞交錯分布，另外從圖中可以看出在1s時刻脈動熱管內已經呈現震蕩現象，這也是脈動熱管的一大優(yōu)點，熱傳遞迅速。相對其他時刻，10s時刻氣體體積分數上升的波峰區(qū)間更廣，且波峰較高，振蕩頻率增大，說明此時脈動熱管內氣液相應經呈現劇烈的往復振蕩流動。

2.3 不同時刻氣相速度云圖比較

圖4中分別為Mixture模型在不同時刻氣相速度等值線在脈動熱管內分布，通過比較可以明顯看出1s時刻氣相在脈動熱管中間部分氣相速度很小，而在脈動熱管的冷凝段達到最大，說明氣相在冷凝段迅速冷凝釋放出氣化潛熱，隨著時間的進行，5s時刻和10s時刻氣相的速度場變化不大，氣相速度云圖逐漸充斥整個脈動熱管段，并趨于均與分布，說明脈動熱管在很短的時間內達到穩(wěn)定的振蕩流動。

2.4 不同時刻間氣體速度比較

圖5為Mixture模型在不同時刻的氣相速度沿脈動熱管中軸線分布，可以看出不同時刻的速度曲線均呈波動形狀，10s時刻的波形圖最為穩(wěn)定，幾乎呈現對稱分布，說明此時脈動熱管內呈現穩(wěn)定的氣液兩相交替存在，并往復運動。從1s到5s氣體速度明顯增長，在第5s時刻氣相速度曲線就已基本達到穩(wěn)定。

3 結束語

本文采用Mixture模型對脈動熱管內的流動和傳熱現象進行了數值研究，通過脈動熱管內的氣相的體積分數云圖和氣相速度云圖分析得出，脈動熱管在1s時刻已經熱啟，在5s時刻已經達到穩(wěn)定。從氣相的體積分數云圖看到熱管內出現小氣泡聚合成大氣泡，并逐漸形成液塞與氣柱的現象，從氣相速度云圖中看出脈動熱管內呈穩(wěn)定的振蕩流運動，且氣液兩相運行速度相對穩(wěn)定，其數值模擬結果能為脈動熱管的運行機理提供理論基礎。

參考文獻

[1]Akachi H， Polasek F， Stulc P. Pulsating heat pipes [C].5th International Heat Pipe Symposium， Melbourne， Australia， 1996， 208-217.

[2]Chai Benyin， Li Xuanyou， Zhou Shenjie， et al. Experimental Study On Energy Thrift in a Fluidized-bed Dryer with Self-excited Mode Oscillating Flow Heat Pipe（SEMOS heat pipe） [C]. Hong Kong， China： Proceeding of The 5th Asia-Pacific Drying Conference， 2007，601-607.

[3]Rittidech S， Dangetonw， Soponronnarit S. Closed-ended Oscillating Heat-pipe （CEO HP） Air-preheater For Energy Thrift in A Dryer [J]. Applied Energy， 2005，81（2）： 198-208.

[4]涂福炳，高晟揚，劉慶 ，等.徑向熱管傳熱機理實驗研究[J].中南大學學報，2013（44）：2109-2112.

[5]孔方明，夏侯國偉，謝明付.平板脈動熱管傳熱性能的實驗研究[J].廣東化工，2014，41（6）：145-146.

[6]商福民，劉登瀛，冼海珍，等.采用不等徑結構自激振蕩流熱管實現強化傳熱[J].動力工程，2008，28（1）：100-103.

[7]商福民，劉登瀛，冼海珍，等.不同加熱位置對振蕩熱管傳熱性能的影響[J].工程熱物理學報，2008，29（10）：1731-1734.

[8]振蕩熱管內不同形態(tài)納米顆粒流動及傳熱特性[J].化工學報，2007，58（9）：2200-2204（EI）.

[9]梁玉輝，李惟毅，史維秀.傾角及充液率對并聯式脈動熱管傳熱性能的影響[J].化工學報，2011，62（S2）：46-51.

[10]劉建紅，商福民，劉登瀛.脈動熱管間協同耦合強化傳熱特性實驗分析[J].化工學報，2011，62（6）：1549-1553.

作者簡介：劉建紅（1979-），女，漢族，碩士研究生，主要從強化傳熱，傳熱傳質流動的數值模擬與實驗研究工作。