趙佳騰，吳晨輝，戴宇成，饒中浩，2，3

（1 中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116； 2 河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院，天津 300401；3河北省熱科學與能源清潔利用技術(shù)重點實驗室，天津 300401）

引 言

隨著現(xiàn)代科技的進步，各種設(shè)備趨向于集成化、小型化和高熱通量，各個領(lǐng)域?qū)Ω咝?、高均溫性的散熱需求日益提高[1]。熱能的高效利用和回收是解決能源可持續(xù)發(fā)展問題的重要途徑。熱管是一種高效傳熱元件，被廣泛應(yīng)用于熱輸送領(lǐng)域。傳統(tǒng)重力驅(qū)動熱管的單向?qū)嵝?，限制了其?yīng)用范圍；傳統(tǒng)毛細力驅(qū)動熱管的燒干極限較低，工質(zhì)回流能力較弱，不適合長距離熱輸送[2]。脈動熱管（oscillating heat pipe, OHP）于20 世紀90 年代被提出，由若干直管路和彎頭組成，依靠管內(nèi)工質(zhì)交替蒸發(fā)膨脹和冷凝收縮產(chǎn)生的壓力差以及相鄰管間的壓力不平衡提供整體驅(qū)動力[3]。脈動熱管不僅能夠通過氣液相變傳遞潛熱，而且可以通過汽液塞振蕩傳遞顯熱，相對傳統(tǒng)熱管具有眾多優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單、理論熱輸送距離長、應(yīng)用范圍廣、傳熱極限高、抗重力性能好、啟動迅速、加熱方式靈活等[4-5]。脈動熱管在太陽能熱利用、余熱回收、電子冷卻等熱輸送領(lǐng)域是一種簡單、可靠、經(jīng)濟的選擇，應(yīng)用前景良好。

自脈動熱管提出以來，科研人員對其啟動和傳熱特性、運行機制進行了廣泛的研究，實驗研究主要是針對流型演變，以及定量分析結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作條件等對脈動熱管啟動和傳熱性能的影響，理論研究通常是建立簡化模型來模擬并定性分析脈動熱管內(nèi)部多相流動和傳熱傳質(zhì)過程[6]?，F(xiàn)有綜述大多是對脈動熱管實驗和理論研究的進展以及常規(guī)脈動熱管的應(yīng)用研究進行總結(jié)，各有側(cè)重，少部分涉及了通過結(jié)構(gòu)改進來強化傳熱[6-10]。近年來，為了強化換熱和適應(yīng)不同工作需求，研究人員設(shè)計、制造和測試了結(jié)構(gòu)多樣的新型脈動熱管，并對各自提出的新結(jié)構(gòu)脈動熱管啟動和傳熱特性及應(yīng)用做了大量研究，但尚無一種通用的結(jié)構(gòu)形式，距離商業(yè)化應(yīng)用前路漫漫。本文對已有研究中涉及脈動熱管結(jié)構(gòu)改進的方法進行提煉，得到如圖1 所示的發(fā)展脈絡(luò)，圖中圓的大小代表這一方法的權(quán)重，兩個圓之間的距離及線寬表示兩個方法之間的親緣性，顏色代表這一方法所處年份的平均。從圖中可以看出，前期的研究主要偏向于內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進以強化傳熱，并隨著技術(shù)的進步而發(fā)展。例如，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進的方法按時間排序為：截面形狀、止回閥、截面尺寸和內(nèi)表面修飾；近年的研究趨向于外部結(jié)構(gòu)改進，除部分以強化傳熱為目的外，開始面向特殊工況的傳熱需求，結(jié)構(gòu)多樣但現(xiàn)有研究相對較少；此外，部分研究涉及多種結(jié)構(gòu)改進方法，在提升工況適應(yīng)性的同時考慮了強化傳熱，是進一步的發(fā)展趨勢。

為了更好地呈現(xiàn)新結(jié)構(gòu)脈動熱管的發(fā)展脈絡(luò)，本文主要從以下三個部分進行綜述：強化熱性能的內(nèi)部新結(jié)構(gòu)、適應(yīng)不同工作要求的外部新結(jié)構(gòu)以及新結(jié)構(gòu)脈動熱管的應(yīng)用，希望能夠為通用性新結(jié)構(gòu)脈動熱管的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 脈動熱管內(nèi)部新結(jié)構(gòu)及傳熱強化

脈動熱管由于較長的流動通道，增加了啟動熱通量，限制了其在低熱通量工況下的應(yīng)用；此外，脈動熱管工質(zhì)的運動受到驅(qū)動壓差、表面張力、摩擦力和重力等的綜合作用，且受表面張力的影響較大，會一定程度削弱脈動熱管啟動和傳熱性能[11]。除工質(zhì)熱物性參數(shù)、操作條件和外部條件等以外，包括通道壁面結(jié)構(gòu)、截面形狀和尺寸等內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響脈動熱管啟動和傳熱特性的重要因素[9,12-13]。基于脈動熱管工作原理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進主要從兩個方面協(xié)同強化脈動熱管性能：一是強化工質(zhì)與壁面的換熱，二是提高循環(huán)驅(qū)動力、促進工質(zhì)的振蕩[14]。實現(xiàn)方式有內(nèi)表面修飾和通道結(jié)構(gòu)改進[8,15]兩種。

1.1 通道內(nèi)表面修飾

工質(zhì)與脈動熱管通道內(nèi)表面的相互作用直接影響其在管內(nèi)的振蕩運動狀態(tài)和相變傳熱速率[16-17]。通過調(diào)整通道內(nèi)表面多尺度結(jié)構(gòu)實現(xiàn)工質(zhì)運動調(diào)控和相變傳熱過程強化屬于無源強化手段[18]，調(diào)控表面結(jié)構(gòu)的尺度和分布不僅可以促進氣泡的核化、生長和溢出以及冷凝液滴的形成和脫離，增強壁面與工質(zhì)換熱，還可以改變其浸潤性，利于調(diào)控工質(zhì)與通道表面的毛細力和摩擦力[19-21]。因此，合理修飾脈動熱管通道內(nèi)表面，可以有效強化其傳熱性能和啟動特性[22-23]。

表面結(jié)構(gòu)修飾可以在通道表面構(gòu)造人工核化點，也可以通過粉末燒結(jié)等構(gòu)成吸液芯這一傳統(tǒng)熱管有益元素[24]。孫芹[25]控制硅表面的刻蝕構(gòu)造了如圖2(a)所示的大小不同的凸起和凹穴，構(gòu)成的人工核化點通過促進工質(zhì)核化來降低啟動溫度、縮短啟動時間以及提高傳熱性能；隨充液率增大，啟動性能進一步增強，但增大了工質(zhì)運動的阻力，提升傳熱性能的效果變差。Kim 等[26]在OHP 通道兩側(cè)設(shè)置凹腔，可以促進啟動、降低熱阻，啟動功率和熱阻分別可降低50%和57%；隨凹腔尺寸增加，啟動功率減小，但高功率下小尺寸凹腔OHP 具有更好的傳熱性能。Qu 等[27]在平板OHP 內(nèi)表面燒結(jié)超薄泡沫銅構(gòu)成吸液芯，起到增大固液接觸面、提供成核點及促進冷凝工質(zhì)回流的作用，工質(zhì)擾動更劇烈，有效提升OHP 均溫、啟動和換熱性能，但在高熱通量條件下發(fā)生局部燒干。Kato等[28]在OHP蒸發(fā)段內(nèi)表面添加銅絲網(wǎng)以保證工質(zhì)回流。Ibrahim 等[29]采用Ti-6Al-4V 粉末制備OHP，如圖2(b)所示，表面形成的粉末燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)可有效增強毛細力和啟動過程的沸騰傳熱，降低重力依賴性和啟動功率。Wang等[30-31]和彭友權(quán)[24]研究了蒸發(fā)器帶銅粉燒結(jié)吸液芯的OHP 在不同充液率、加熱功率和傾角下的熱性能，與光滑表面相比，形成的多孔結(jié)構(gòu)表面可以促進氣泡的產(chǎn)生、生長和聚合及汽液塞的振蕩運動，有效強化抗重力、啟動和換熱性能。如圖2(c)所示，周華[32]提出的毛細芯結(jié)構(gòu)OHP 在較低熱負荷下熱阻僅為傳統(tǒng)OHP 的1/10。Qu 等[33]在可視化實驗的基礎(chǔ)上建立數(shù)學模型，理論分析表明，內(nèi)表面涂覆微顆粒或設(shè)置空腔均可以促進氣泡成核和生長，提高熱管的啟動和運行性能，增大表面粗糙度可以降低啟動所需熱通量，但會增加摩擦阻力。Xu 等[34]對燒結(jié)顆粒吸液芯OHP 的數(shù)值模擬研究表明，吸液芯結(jié)構(gòu)使得潛熱和顯熱傳遞量顯著增加，繼而增加了汽塞溫度和壓力以及液塞振蕩幅值，但增大顆粒直徑會降低傳熱性能。

由于OHP 管徑一般較小，多孔結(jié)構(gòu)等處理的難度較大，微槽道結(jié)構(gòu)是可供替代的選擇[35]。Qu等[16,35-38]對比了具有如圖2(d)所示內(nèi)螺旋溝槽的OHP和光滑管OHP的啟動和傳熱特性，水平放置時光滑管OHP 難以啟動，而溝槽OHP 仍能正常啟動，且具有較高的燒干極限；溝槽結(jié)構(gòu)的加入可以強化冷熱段的氣液相變，促進冷凝工質(zhì)回流，從而降低啟動功率并提升有效熱導率。于子程[39]為微平板OHP 設(shè)計了W 型溝道吸液芯結(jié)構(gòu)，通過增加尖角數(shù)量來增強毛細力，通過受力分析和數(shù)值模擬研究了溝道和溝道壁寬度對毛細力大小的影響。Xu 等[40]通過三維非定常模型研究了蒸發(fā)段加入微槽的平板OHP熱力學特性，如圖2(e)所示，相比于常規(guī)通道OHP，有效強化傳熱性能，在高熱負荷下具有更小的熱阻。

圖2 脈動熱管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)修飾[16,25,29,32,35-38,40]Fig.2 Structure modification of oscillating heat pipe inner surface[16,25,29,32,35-38,40]

表面結(jié)構(gòu)修飾影響工質(zhì)濕潤狀態(tài)及兩相流動特性[41]，研究人員通過化學刻蝕[19,22,42-48]、自組裝[42-44,46,49]、堿性輔助表面氧化技術(shù)[50]等多種方法改變表面浸潤性，以提升脈動熱管性能。納米流體OHP 實驗表明，強化機理之一是納米顆粒對內(nèi)表面的改性作用。受此啟發(fā)，Ji等[19,48,50]在OHP 內(nèi)表面涂覆超親水性的CuO 微結(jié)構(gòu)層，使得OHP 換熱性能大幅提升，且隨著親水性的增強效果更好，實現(xiàn)了最低為0.1℃/W 的有效熱阻。郝婷婷等[43,45]研究了親水和超親水表面對OHP 液彈脈動及液膜沉積的影響，可視化實驗表明，相比銅OHP，液彈脈動程度成倍增強，液膜沉積長度隨親水性增強而增長，OHP傳熱性能得到提升，但超親水表面微結(jié)構(gòu)中滯留的工質(zhì)導致其傳熱性能低于親水OHP，實驗結(jié)果也通過數(shù)值模擬進行了驗證。此外，王瑞祥等[15,41]通過不同正火、退火工藝直接對OHP 金屬壁面進行改性以提高無水乙醇的浸潤性，啟動實驗結(jié)果表明，氣泡與壁面的附著力減小，可促進氣泡的產(chǎn)生和脫離，提高啟動性能，在低加熱功率下效果更加明顯。OHP在內(nèi)表面超疏水條件下難以正常工作[44]，Ji等[49]在OHP 內(nèi)表面涂覆超疏水的正十八烷基硫醇自組裝單分子層，該超疏水OHP 仍可正常啟動且具有良好的傳熱性能，對內(nèi)表面浸潤性條件不敏感。

合理布置脈動熱管不同區(qū)域的浸潤性，可以協(xié)同不同浸潤性在強化沸騰換熱和冷凝方面的作用[43]。郝婷婷等[43-44]分別對具有親水（銅）、超疏水和組合親疏水（蒸發(fā)段超親水，冷凝段和絕熱段超疏水）內(nèi)表面的OHP 進行了實驗研究，不同浸潤性表面的接觸角如圖3(a)所示，與銅OHP相比，組合表面可以強化OHP 內(nèi)部工質(zhì)的段塞運動，整體傳熱性能提升5%～20%，均勻超疏水表面OHP 則相反，甚至出現(xiàn)局部燒干現(xiàn)象。Leu 等[17]也對具有不同浸潤性表面的OHP進行了實驗研究，組合表面OHP具有最低的熱阻，表面的組合浸潤性起到類似單向閥的作用，冷凝段超疏水表面促進滴狀冷凝，蒸發(fā)段超親水表面為汽液塞運動提供更大的動力，協(xié)同提升OHP 傳熱性能。張慶振[46]研究發(fā)現(xiàn)，組合表面OHP冷凝段超疏水區(qū)域起到減阻作用，啟動性能最好，但穩(wěn)定運行時超疏水表面阻礙顯熱傳遞，整體傳熱性能低于超親水OHP。受Xie 等[51]、Cheng 等[52]和Singh 等[53]的啟發(fā)，于慧文等[22,47]制備了從冷凝段至蒸發(fā)段接觸角線性減小的梯度浸潤性表面，如圖3(b)所示，豎直加熱模式下梯度表面OHP 對傳熱性能的提升次于超親水OHP；水平加熱時，銅OHP 無法啟動，梯度表面提供額外的驅(qū)動力，OHP 成功啟動，熱阻最大可降低45%，傳熱性能最佳，理論模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果一致。

圖3 脈動熱管不同浸潤性表面[22,43-44,47]Fig.3 Oscillating heat pipe with different surface wettability[22,43-44,47]

在通道表面進行結(jié)構(gòu)和浸潤性修飾可以有效強化脈動熱管啟動和傳熱性能，但是獲得不同修飾方式下的最佳操作條件、降低表面修飾的難度和成本以及保證修飾表面的壽命是亟待解決的問題。此外，未來的研究應(yīng)該對脈動熱管內(nèi)表面不同區(qū)域進行合理修飾，協(xié)同不同結(jié)構(gòu)尺度和浸潤性在強化脈動熱管性能方面的作用。

1.2 通道結(jié)構(gòu)改進

通過異型或非均勻設(shè)計對脈動熱管通道結(jié)構(gòu)和布置進行改進，合理匹配不同區(qū)域的毛細驅(qū)動力和工質(zhì)流動阻力，是提升脈動熱管性能的一種簡單有效的方法[9,25]。

1.2.1 截面形狀 脈動熱管通道截面形狀直接影響脈動熱管內(nèi)部汽液塞分布及流型轉(zhuǎn)化、壓差驅(qū)動力及流動阻力，其中截面尖角的影響尤為突出[6,54-56]。

矩形截面方面：Mehta 等[3]對比了不同尺寸、加熱功率下矩形和圓形截面OHP 的傳熱性能，矩形通道增強了工質(zhì)的振蕩運動，熱阻更低。Hua 等[57]的研究表明，矩形OHP 傳熱性能隨充液率減小而增強，相同條件下，矩形OHP 熱阻僅為圓形的30%～40%，冷熱端溫差降低10～20℃，但啟動功率是圓形的1.5～2 倍。李楠[5]、Khandekar[58]、郝婷婷[43]和陳陽陽等[59-60]的研究同樣證明了矩形截面的尖角結(jié)構(gòu)可以增強毛細力，促進工質(zhì)脈動，傳熱性能優(yōu)于圓形截面OHP。郝婷婷[43]還基于非圓形通道中流型轉(zhuǎn)變過程氣液界面演化規(guī)律的模擬結(jié)果，引入?yún)?shù)彎月面面積比建立了非圓形通道中流型轉(zhuǎn)變的無量綱關(guān)聯(lián)式。

三角形截面方面：周巖等[61-63]對比了正方形和正三角形截面OHP 的傳熱性能，三角形截面可以提供更大的毛細力，促進氣液相變和工質(zhì)脈動，熱阻比正方形截面OHP 低，理論建模分析結(jié)果與實驗吻合。夏侯國偉等[64-66]通過隔板將平板OHP 分割成上下兩層槽道，構(gòu)成雙面矩形和三角形平板OHP，分別如圖4(a)、(b)所示，當量熱導率是常規(guī)脈動熱管的兩倍以上，且雙面三角形OHP 具有更好的傳熱性能。權(quán)力[67]、李志等[68-69]、王超[70]也對不同條件下矩形和三角形截面OHP 進行了研究，得到相似的結(jié)論。此外，李玉華等[71-72]通過模型計算證明了等腰直角三角形截面OHP 的傳熱性能優(yōu)于正三角形截面。

梯形截面方面：Qu 等[73-74]實驗研究了梯形截面硅基OHP 在不同條件下的啟動和傳熱特性，得到了不同水力直徑下OHP內(nèi)部兩相流型，該OHP遠小于前人提出的Bond數(shù)和水力直徑的下限；與傳統(tǒng)OHP不同的是，梯形OHP 沒有檢測到局部核沸騰。陳婭琪等[75-76]對梯形截面OHP 的研究發(fā)現(xiàn)，通道內(nèi)的汽液塞不能形成隨機分布的初始狀態(tài)，不利于啟動；較大水力直徑OHP 內(nèi)觀察到間歇性沖刷和非典型振蕩兩種運行模式，前者主要出現(xiàn)在水平工況下，傳熱效果較差，后者的傳熱效果受重力影響較大。孫芹[25]研究發(fā)現(xiàn)管內(nèi)初始汽液塞分布決定了梯形OHP 核化或無核化啟動，由于壁面光滑，核化啟動溫度較高，單通道內(nèi)兩相流型與微通道相似。夏侯國偉等[77-80]提出了新穎的梯形截面單面波浪結(jié)構(gòu)平板OHP，如圖4(c)所示，波浪結(jié)構(gòu)有利于增大散熱面積，基于實驗研究結(jié)果提出了啟動時間、初始和完全啟動溫度三個參數(shù)描述OHP 啟動特性。王超[70]通過實驗證明了梯形和三角形截面微型OHP 的傳熱性能優(yōu)于矩形OHP，但三角形截面OHP 更難啟動；不同截面OHP 內(nèi)部的兩相流型差異較大：梯形和三角形OHP 內(nèi)部沒有矩形OHP 的核態(tài)沸騰現(xiàn)象和噴射流，蒸發(fā)段彎頭結(jié)構(gòu)和表面張力的作用使得汽柱斷裂，形成的長汽塞受底部摻混流和壁面回流的液相的擠壓而斷裂。

非均勻設(shè)計利用不同截面通道的表面張力差異，產(chǎn)生了附加的毛細驅(qū)動力，如式（1）所示[8]：

式中，σ為表面張力系數(shù)；R1、R2分別為不同截面的曲率半徑。此外，工質(zhì)在不同截面通道處受到的流動阻力不同，促使工質(zhì)向阻力小的方向流動，達到強化傳熱的目的[81]。如圖4(d)所示，商福民等[14,82-84]將OHP 蒸發(fā)段和絕熱段管路加工成圓形和橢圓形截面周期性布置的非均勻結(jié)構(gòu)，起到增加工質(zhì)振蕩頻率、強化傳熱的作用，但需要足夠的熱通量克服非均勻截面帶來的流動阻力；通過建立的非均勻結(jié)構(gòu)OHP 流動沸騰傳熱模型與實驗相驗證，計算結(jié)果表明，對對流換熱的強化效果遠強于沸騰換熱。Tseng 等[85]加工了圓管和橢圓管交替分布的交變管路OHP，如圖4(e)所示，相比均勻OHP具有更低的熱阻和啟動功率，穩(wěn)定運行后，二者熱阻隨加熱功率、傾角等因素的變化趨勢相似。

圖4 具有異型或非均勻截面形狀的脈動熱管[14,64-66,77-80，82-85]Fig.4 Oscillation heat pipe with special or non-uniform cross-sectional shape[14,64-66,77-80，82-85]

異型和非均勻截面脈動熱管雖然更難啟動，但尖角結(jié)構(gòu)和布置的不同截面通道增加了毛細驅(qū)動力，有效強化傳熱性能，后續(xù)研究應(yīng)該對啟動功率增加和傳熱性能提升綜合考慮。表1匯總了不同截面形狀脈動熱管的研究。

表1 不同截面形狀脈動熱管的研究Table 1 Research on oscillation heat pipes with different sectional shapes

續(xù)表1

1.2.2 非均勻截面尺寸 受工質(zhì)密度和表面張力的影響，脈動熱管管徑過大會導致氣液分層，難以形成汽液塞，管徑減小又會增加毛細阻力[6,55]，而在非均勻管徑的通道中工質(zhì)在不同區(qū)域所受的流動阻力和驅(qū)動力不同，局部壓差驅(qū)動力會促使管內(nèi)工質(zhì)向阻力小的方向流動，增強汽液塞振蕩頻率和幅度，從而起到強化傳熱的作用[8]。

不同尺寸通道合理布置實現(xiàn)的非均勻脈動熱管，對工質(zhì)施加了額外的驅(qū)動力。曹小林等[86]通過不同尺寸通道相間排列對OHP 結(jié)構(gòu)進行改進，使工質(zhì)在通道中單向流動，提升OHP傳熱性能。He等[87]在OHP 中串聯(lián)錐形噴嘴，噴嘴正向壓降低可以促進單向流動，脈動幅值遠大于反向，起到減小熱阻和啟動時間、提高燒干極限的作用，并通過驅(qū)動力理論解釋了啟動時間變化的原因。Liu 等[88]和李驚濤等[89-90]對內(nèi)徑交錯變化和最右側(cè)管道為粗管的非均勻OHP 進行了可視化實驗研究，變管徑通道破壞了流道的均衡性和對稱性，合理匹配的流動阻力和粗細管連接處漸擴管道對氣泡的微泵效應(yīng)，促使工質(zhì)單向循環(huán)。Kwon 等[91]實驗研究發(fā)現(xiàn)，雙管徑單回路OHP 通過促進循環(huán)流動使得熱阻降低了45%；通過基于實驗結(jié)果建立的簡化模型計算發(fā)現(xiàn)，無量綱管徑差范圍為0.25～4 時可以最大幅度提升換熱性能。針對如圖5(a)所示的雙徑OHP，Kwon 等[92]將毛細管壓差和黏性壓降的比值定義為品質(zhì)因數(shù)，當其大于2×105時雙徑OHP 的性能與方向無關(guān)。王迅等[93-94]基于薄液膜蒸發(fā)機理和VOF 模型建立了變管徑OHP 計算模型，如圖5(b)所示，結(jié)果表明，變管徑結(jié)構(gòu)提高了工質(zhì)脈動頻率，促進液膜的再濕潤，提高傳熱極限；由于蒸發(fā)段管徑較大，啟動時間延長，且隨著管徑比的增加而變長。史維秀[95]研究了不同充液率、傾角、加熱功率、工質(zhì)和冷卻水流量等條件對不同尺寸通道交替分布的非對稱OHP 啟動和傳熱性能的影響，混沌分析表明非對稱OHP 具有混沌力學特征；與其他研究相反，相同工況下對稱OHP 傳熱性能優(yōu)于非對稱OHP。章旺等[96]基于三大守恒方程建立兩管徑式脈動熱管的物理和數(shù)學模型，研究發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)段管徑小于冷凝段時具有較高的振頻和較小的振幅，傳熱性能更優(yōu)。商福民等[82,97-98]、Chiang 等[99]、Chien 等[100]、Kato 等[28]、Yang 等[101-102]、趙曉歡等[103-104]、Jang 等[105]、張強等[106]也對非均勻截面尺寸OHP 進行了實驗和模擬研究，非對稱結(jié)構(gòu)通過促進工質(zhì)單向流動和振蕩來促進啟動、強化傳熱，但也存在相反的結(jié)論。

圖5 非均勻截面尺寸脈動熱管[5,25,70,92-94,113]Fig.5 Oscillating heat pipe with non-uniform cross-sectional size[5,25,70,92-94,113]

單一通道管徑周期性變化構(gòu)成的漸縮漸擴結(jié)構(gòu)，不僅增加毛細驅(qū)動力，還能促進工質(zhì)蒸發(fā)，增強擾動等[5,107-108]。李楠[5]對具有漸縮漸擴通道的OHP進行了可視化和傳熱實驗研究，如圖5(c)所示，由于漸縮漸擴結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的不對稱氣液界面促進液體摻混，可以強化傳熱，矩形凹槽內(nèi)殘留的液體可以促進蒸發(fā)、提升蒸發(fā)極限；但水力直徑較小時增大了液彈脈動阻力，導致熱阻增大。王超[70]研究了三角形縮擴結(jié)構(gòu)OHP 的強化傳熱效果和機理，如圖5(d)所示，縮擴結(jié)構(gòu)對OHP 傳熱性能的影響取決于其導致的附加驅(qū)動力、流阻增大以及工質(zhì)擾動破壞熱邊界層三者博弈，僅“上寬下窄”結(jié)構(gòu)在熱負荷較高時可以強化換熱。蔣二輝等[109-110]通過數(shù)值模擬研究了鋸齒波紋段位置對OHP 性能的影響，鋸齒段在熱管兩端時啟動時間最短，在冷凝段時溫差最小、傳熱效率最高，是最佳布置位置。進一步，Wang等[107-108]研究了波紋段位置對單回路OHP 性能的影響，結(jié)果表明，蒸發(fā)段設(shè)置波紋段可以增加汽化核心、加強擾動，從而縮短啟動時間和降低熱阻，最大分別可減少23.43%和28.96%。魏智康等[111]基于Mixture模型構(gòu)建了波形OHP和微槽平板熱管模型，波形OHP 具有更好的傳熱性能，空間上蒸發(fā)段溫度均勻性更好，但時間尺度上較差。為最大限度發(fā)揮漸縮漸擴結(jié)構(gòu)的強化作用，應(yīng)該對其結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置位置進行優(yōu)化。

管徑沿軸向線性變化的通道可以促使工質(zhì)定向自驅(qū)動[25]。Holley 等[112]首次建模研究了漸變管徑通道對OHP 傳熱的促進作用，發(fā)現(xiàn)漸變管徑通道可以增強換熱，提升燒干極限，降低重力依賴性和溫差。陳婭琪[75]通過水力直徑漸變的變截面結(jié)構(gòu)增大毛細驅(qū)動力，實現(xiàn)了OHP 工質(zhì)的單向循環(huán)，相比于等截面OHP，傳熱強化比可達61%。孫芹等[25,113]對變截面和等截面OHP 進行了實驗研究，如圖5(e)所示的變截面通道可定向自驅(qū)動工質(zhì)、促進蒸發(fā)段的核化沸騰，啟動和傳熱性能得到提升，大充液率條件下效果更明顯。王迅等[114-115]采用VOF 方法對常規(guī)和漸變式平板OHP 進行了數(shù)值模擬研究，漸變式結(jié)構(gòu)對兩相流型影響較小，但溫度振蕩頻率增加、振幅減小，均溫性良好；大小截面比值越大，漸變式OHP 啟動性能越好，但熱阻先減小后增大，1.5∶1 時達到最小值。

以上研究結(jié)果表明，非均勻截面尺寸設(shè)計可以提升脈動熱管的啟動和傳熱性能。提出通用性的結(jié)構(gòu)，分析非均勻結(jié)構(gòu)強化脈動熱管性能的機理，獲得不同條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，是未來研究的關(guān)鍵。為了輔助對非均勻管徑OHP 研究的總結(jié)，主要參數(shù)和實驗數(shù)據(jù)匯總在表2中。

表2 非均勻截面尺寸脈動熱管的研究Table 2 Research on oscillating heat pipe with non-uniform cross-section size

續(xù)表2

續(xù)表2

1.2.3 止回閥 OHP 運行過程中隨機出現(xiàn)的工質(zhì)停頓、反轉(zhuǎn)和振幅小等現(xiàn)象，導致其傳熱性能降低[116]。Miyazaki 等[117]提出了帶止回閥的OHP，可促使工質(zhì)單向循環(huán)、提升燒干極限。Wan 等[116,118-119]分別在OHP 蒸發(fā)段和冷凝段集成隔膜式止回閥，可促使工質(zhì)實現(xiàn)穩(wěn)定的單向流動，提升傳熱性能，不同條件下可使熱阻降低20.35%～31.28%，但當止回閥對工質(zhì)流動的促進方向和OHP 自身流向相反時出現(xiàn)傳熱性能下降的情況；在實驗結(jié)果基礎(chǔ)上建立了止回閥OHP 在對稱加熱時的數(shù)學模型。Thongdaeng等[120]通過可視化實驗研究了頂部加熱模式下帶止回閥的OHP 內(nèi)部流型和傳熱特性，在蒸發(fā)器溫度為125℃、傾角為90°時，最大熱通量可達2670.427 W/m2。左洪桃等[121]研究了止回閥數(shù)量對OHP 傳熱性能的影響，熱流隨止回閥比的增加而增大。Meena 等[122-123]、Supirattanakul 等[124]、Bhuwakietkumjohn 等[125-127]、Rittidech 等[128]和Ando等[129]通過傳熱和可視化實驗對帶止回閥的OHP 在不同傾角、運行溫度、工質(zhì)、充液率和重力等條件下的流動和傳熱特性進行了詳細的研究，止回閥的布置應(yīng)該使其對工質(zhì)流動的促進方向和OHP 自身流向相同，且強化OHP 傳熱性能的效果受操作條件的影響較大。止回閥與脈動熱管的集成較為簡單，可以與前述結(jié)構(gòu)改進方式耦合，進一步提升強化效果。

對于內(nèi)部新結(jié)構(gòu)脈動熱管，不論是內(nèi)表面結(jié)構(gòu)和浸潤性修飾，還是通道結(jié)構(gòu)或布置方式的異型和非均勻設(shè)計，以及集成止回閥，都需要與工質(zhì)和操作條件等相匹配，才能最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)強化作用。此外，大多數(shù)研究涉及的脈動熱管參數(shù)和操作條件有限，難以得到系統(tǒng)的結(jié)論，阻礙了更精確理論模型的發(fā)展。

2 脈動熱管外部新結(jié)構(gòu)

為了強化換熱以及適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境和工作要求，研究人員對脈動熱管外部結(jié)構(gòu)進行局部或整體改進[24,30,130]，或者與擴熱板[131-132]、翅片[133-134]和泡沫金屬[135]等耦合，設(shè)計具有不同結(jié)構(gòu)的新型脈動熱管，并對改進后的新結(jié)構(gòu)脈動熱管的啟動和傳熱特性進行了大量的研究[136-138]。

2.1 蒸發(fā)（冷凝）端新結(jié)構(gòu)

對OHP 蒸發(fā)端或冷凝端進行局部結(jié)構(gòu)改進，可以增強冷熱端壓差，促進工質(zhì)循環(huán)，從而提升傳熱性能[139]。Sedighi 等[139]在蒸發(fā)段添加如圖6(a)所示的支路，數(shù)值分析和可視化實驗結(jié)果表明附加支路可以促進工質(zhì)的單向循環(huán)，部分冷凝回流工質(zhì)與附加分支熱流體的混合可以降低蒸發(fā)段溫度；通過傳熱實驗對比了帶附加支路OHP與常規(guī)OHP的性能，熱阻平均下降11%～20%。Kato 等[28]在單直管OHP 冷凝段頂部采用厚度為0.08 mm 的乳膠片，以釋放OHP 振蕩過程中內(nèi)部體積波動引起的壓力變化。曹濱斌等[140-141]提出冷凝端頂部添加擴容室的擴容型OHP，如圖6(b)所示，能夠降低冷凝端壓力以增大冷熱端壓差，有效提升OHP 啟動性能，增大擴容室體積可以進一步提升啟動和傳熱性能；但由于擴容室和OHP 僅通過喉管連接，加熱功率較高時過多工質(zhì)滯留在擴容室，傳熱性能下降；基于實驗結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，OHP 運行過程出現(xiàn)“蝴蝶效應(yīng)”、自組織等具有混沌力學特征的現(xiàn)象。Wang 等[142]提出了具有周期性漲縮式冷凝器的OHP，數(shù)值模擬結(jié)果表明，漲縮式冷凝器可以引起主流分離并破壞熱邊界層、提高汽液塞振蕩頻率，有助于提升OHP 傳熱性能，增幅可達45%。Davari 等[143]對比了具有直管、立式和水平波紋管冷凝段的OHP性能，如圖6(c)所示，水平波紋管結(jié)構(gòu)可以促進冷凝液滴的形成，傳熱系數(shù)最高。

為適應(yīng)不同冷、熱源工況，對冷凝端或蒸發(fā)端結(jié)構(gòu)進行改進以保證緊密接觸。Nagasaki 等[144]將管式OHP 蒸發(fā)端替換為帶有圓形通道的銅板，研究了不同工質(zhì)、熱負荷和傾角對壁溫波動的影響，揭示了水為工質(zhì)時的工作特性，如間歇性振蕩和熱虹吸行為。屈健等[24,30,145-146]研究了平板蒸發(fā)器OHP 在不同傾角、工質(zhì)和充液率下的啟動和傳熱性能，豎直放置時性能最佳，隨充液率增加性能下降，30%時啟動性能最優(yōu)。王亞雄等[106,147]設(shè)計了具有雙螺旋結(jié)構(gòu)冷凝端的新型OHP，螺旋管纏繞在流通冷卻水的銅管上，研究了不同傾角和加熱功率下的啟動和傳熱性能，熱阻隨加熱功率增大而減小，90°時啟動和傳熱性能最佳，最低熱阻可達0.117℃/W，0°最差。

為了提升冷凝段外部散熱性能，Qu等[36-37]、范是龍[148]在OHP 冷凝段的外側(cè)安裝了銅翅片。陸謙逸[1]的實驗結(jié)果表明，翅片式OHP相比無翅片OHP啟動時間更短，熱阻更小。夏侯國偉等[149]設(shè)計了多脈動冷端與翅片耦合的結(jié)構(gòu)，相比單片板式OHP，啟動和傳熱性能顯著提升，冷端啟動順序為先中間后兩側(cè)，一定條件下多脈動冷端OHP 蒸發(fā)段的溫度比單片板式OHP 低28℃。Mahajan 等[150-151]的研究表明，用于翅片式OHP 的翅片效率大于2 時，可有效強化換熱。鄧阿強等[152-153]對翅片板式OHP 進行了實驗研究，如圖6(d)所示，熱源面積和布置方式都會影響傳熱效果，與水冷的板式OHP 不同的是，翅片式板式OHP 啟動后溫度先緩慢上升后達到穩(wěn)定。李志等[68-69]研究了加熱功率、充液率、工質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等對翅片板式OHP 性能的影響，增大翅片面積可以有效降低加熱段溫度，相比小翅片最多可降低10℃，但熱阻隨之增大。

圖6 脈動熱管蒸發(fā)端和冷凝端新結(jié)構(gòu)[133-134,139-141,143,151-152,162]Fig.6 New structure of oscillating heat pipe evaporator and condenser[133-134,139-141,143,151-152,162]

上述結(jié)構(gòu)改進只針對脈動熱管蒸發(fā)端或冷凝端，同時針對二者進行改進可以更大程度滿足換熱和應(yīng)用需求。Maydanik 等[154-155]研究了帶翅片和擴熱板OHP 的傳熱性能，5～250 W 范圍內(nèi)運行穩(wěn)定，250 W 均勻熱負荷時可達最小熱阻0.32℃/W。黃坤榮等[133-134]對該類型OHP 翅片布置方式進行數(shù)值計算，如圖6(e)所示，翅片中心為最佳管孔位置，最佳翅片間距為6 mm，翅片總面積不變情況下增加翅片尺寸可以降低熱端溫度但對流換熱性能下降。胡靚靚[156]還發(fā)現(xiàn)總面積不變而增加翅片高度會導致傳熱系數(shù)下降，增加翅片面積時增加翅片數(shù)量是更優(yōu)的選擇。Burban 等[157]、Tseng 等[158]、周智程等[159]也對具有擴熱板和翅片的OHP 進行了研究，不同參數(shù)和工況下的穩(wěn)定性和傳熱性能優(yōu)于常規(guī)OHP。此外，研究人員對冷熱端均添加擴熱板的OHP 進行了探索。Liang 等[160]將長距離低溫OHP 的冷熱段與凹槽銅塊焊接，研究了不同充液率、加熱功率條件下OHP 熱導率的變化，冷凝器溫度為28 K、充液比為30.7%時，OHP 有效熱導率可達30854 W/(m·K)。曲偉等[131-132]對嵌入式OHP 擴熱板和角管板式OHP 傳熱性能進行了實驗研究，二者達到的最大熱流分別為32 和26 W/cm2，最小熱阻分別為0.4 和0.195℃/W，并通過數(shù)值模擬探究了不同工況對其流動傳熱特性的影響。

除了擴熱板、翅片等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究人員還利用螺旋管、泡沫金屬等結(jié)構(gòu)的傳熱優(yōu)勢對脈動熱管進行改進[135,161]。Yeboah 等[130,137]將螺旋管OHP 與相同條件下的單匝OHP 進行對比，螺旋管蒸發(fā)段體積更大能夠容納更多工質(zhì)，可以對更高的熱輸入進行熱管理。Sriudom等[162]研究了蒸發(fā)段溫度、螺距和工質(zhì)對如圖6(f)所示的螺旋管OHP 內(nèi)部流型和傳熱特性的影響，蒸發(fā)段存在氣泡流、段塞流、環(huán)狀流和分層波狀流四種流型，增大螺距會導致傳熱性能下降，螺距為1 cm、蒸發(fā)溫度為90℃時熱通量最大。Siriwan 等[161]基于螺旋管OHP 換熱器的瞬態(tài)條件對其進行傳熱預測，從實驗和數(shù)值模擬兩方面研究了OHP瞬態(tài)溫度曲線、傳熱曲線和OHP換熱器傳熱曲線，采用Clank-Nicolson 有限差分方法對瞬態(tài)模型進行求解，成功地模擬了螺旋管OHP 的傳熱特性。華超[135]使用泡沫金屬腔體代替OHP 的冷熱端，簡化后的理論模型（蒸發(fā)段：泡沫金屬池沸騰換熱關(guān)聯(lián)式；冷凝段：多孔介質(zhì)冷凝換熱關(guān)聯(lián)式；絕熱段：近似為穩(wěn)態(tài)熱傳導）計算表明，泡沫金屬部分的熱阻僅占總熱阻的20%，相比常規(guī)OHP 熱阻降低接近一半，大幅提升傳熱性能，并通過實驗與模擬進行了驗證；泡沫金屬OHP 能夠滿足高熱通量、多熱源或熱源不均的散熱需求，且溫度均勻性和穩(wěn)定性更好。包康麗等[163]研究發(fā)現(xiàn)傾角增大可以提升泡沫金屬OHP 傳熱性能和溫度均勻性，且受傾角影響比常規(guī)OHP 小。劉建紅等[164]將兩個OHP 耦合，協(xié)振OHP 和主體OHP 正交分布，相比單OHP，耦合式OHP 由于兩個OHP 間相互激勵的脈動而有效強化換熱，但隨熱源溫度升高強化效果變?nèi)酢?/p>

對脈動熱管蒸發(fā)端或冷凝端進行結(jié)構(gòu)改進，或與擴熱板、翅片、泡沫金屬等結(jié)構(gòu)耦合，是提升傳熱性能、拓寬應(yīng)用范圍的有效措施，但不可避免導致體積增大等問題，需要根據(jù)實際工況選擇合適的結(jié)構(gòu)改進方法和參數(shù)。

2.2 新型管路結(jié)構(gòu)

管路結(jié)構(gòu)是脈動熱管的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，且管路的改變較為簡單、樣式多樣，如何對管路進行合理改進以提升脈動熱管性能、適應(yīng)工作需求，目前已經(jīng)有大量的探索[36-37,148,165-169]。

旋轉(zhuǎn)機械由于其特殊的旋轉(zhuǎn)工況，給散熱帶了挑戰(zhàn)。Qian 等[170-171]采用的是單回路OHP。而Aboutalebi 等[172]首次提出了花瓣狀的旋轉(zhuǎn)閉式OHP，旋轉(zhuǎn)工況產(chǎn)生的離心力可以促進中心冷凝端工質(zhì)回流至外部蒸發(fā)端，從而延緩燒干極限，提高OHP 熱效率；隨轉(zhuǎn)速增加，傳熱性能和燒干極限進一步提高，所有轉(zhuǎn)速下，最佳充液率為50%。對如圖7(a)所示的旋轉(zhuǎn)OHP，Kammuang-Lue 等[165]還發(fā)現(xiàn)增加匝數(shù)可以降低冷熱端之間的絕對熱阻，但工質(zhì)循環(huán)阻力增大，增加了單位面積的熱阻。Shafii等[173]研究了熱輸入、轉(zhuǎn)速和工質(zhì)等參數(shù)對旋轉(zhuǎn)OHP 熱阻的影響，證明旋轉(zhuǎn)OHP 可以有效冷卻旋轉(zhuǎn)裝置，并通過建立相關(guān)性來預測其熱流量，但還需要更多實驗數(shù)據(jù)以提升預測精度。

針對局部熱量向四周傳遞的問題，Kelly 等[166]設(shè)計了如圖7(b)所示的徑向OHP，可以有效擴散集中的熱量，相比純金屬導熱，在30 W 熱輸入下加熱器溫度降低了23℃，但難以將熱量傳遞到OHP 邊緣，提高充液率可以降低蒸發(fā)段熱阻但對冷凝段熱阻幾乎沒有影響，需要進一步提高冷熱端之間的熱傳輸能力；此外，通過分形樹狀結(jié)構(gòu)的二次通道可以充分利用給定的表面積增強蒸發(fā)端傳熱。Laun等[174]發(fā)現(xiàn)在一側(cè)中心加熱另一側(cè)冷卻的徑向OHP可以在高熱通量下運行，但冷熱源之間熱量的直接傳遞使得啟動功率遠高于傳統(tǒng)OHP；在冷卻塊和OHP 之間加銅墊片可以降低啟動功率，但冷卻面積的縮小使得總體換熱性能降低。Zhao 等[136,175-176]研究了發(fā)散結(jié)構(gòu)OHP 的熱性能，啟動溫度隨充液率增加先升高后保持不變；各支路傳熱性能無明顯差異，但不代表整體傳熱性能更好，通過脈動和交替加熱兩種模式可有效提升傳熱性能。

圖7 新型管路結(jié)構(gòu)脈動熱管[36-37,148,165-169]Fig.7 Oscillating heat pipe with new pipeline structure[36-37,148,165-169]

閉式脈動熱管相對于開式更容易啟動，傳熱性能更好，但U形彎頭阻礙了工質(zhì)循環(huán)，且容易發(fā)生局部燒干[167-168,177]。王宇等[167-168]基于對閉式OHP 兩相流型和傳熱特性的分析，提出了如圖7(c)所示的多通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)OHP，有效促進工質(zhì)流動、增加工質(zhì)流通回路，具有更好的穩(wěn)定性和傳熱性能以及更高的傳熱極限。夏侯國偉等[78,80,178]、許登科等[177]、梁玉輝[179]和史維秀等[180]通過實驗獲取了不同工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)下并聯(lián)型管式和板式OHP 的啟動和傳熱特性。史維秀等[181]還通過可視化實驗發(fā)現(xiàn)并聯(lián)閉式型OHP 為溫度漸進式啟動，運行過程中工質(zhì)流型為冷凝端塞狀流、蒸發(fā)端環(huán)狀流并存的混合流，且隨加熱功率增加環(huán)狀流向冷凝端移動。

在傳統(tǒng)脈動熱管的管路中添加連通管，可以提供額外的工質(zhì)流道，促進工質(zhì)運動，并能在一定程度上增強擾動，相當于特殊結(jié)構(gòu)的止回閥[182-183]。Liu等[184]設(shè)計了雙蛇形通道平板OHP，在較寬工況范圍內(nèi)具有良好的啟動和傳熱性能，兩個串聯(lián)段的傳熱和工質(zhì)流動既相互合作又相互競爭。范是龍[148]在此基礎(chǔ)上添加了如圖7(d)所示的公共連通管，能夠促進工質(zhì)在兩側(cè)管路間的流動，降低啟動熱負荷，且傳熱性能良好，能夠適應(yīng)多冷、熱源的工況。Ebrahimi 等[182]在常規(guī)平板OHP 中添加了連通管，利用通道互聯(lián)的新思想，減小了工質(zhì)單向流動的阻力，促進單向循環(huán)，且連通管和主管中工質(zhì)的混合破壞了主管的熱邊界層，有效增加總傳熱，最大增量約為24%。進一步，周春鵬[183]研究了連通管的位置和數(shù)量對OHP 傳熱性能的影響，結(jié)果表明，蒸發(fā)段出口或冷凝段的連通管在不同程度上抑制了整體定向循環(huán)，會出現(xiàn)傳熱性能惡化的情況；在冷凝段中心布置連通管，能在較寬工況范圍內(nèi)起到優(yōu)化作用，熱阻最大可降低30%，在冷凝段布置連通管的位置越高，優(yōu)化作用越弱；同時在冷凝段中心和蒸發(fā)段出口布置連通管，會導致傳熱性能急劇惡化。

特斯拉式止回閥由于其獨特的幾何形狀和連接點使得反向流動阻力遠大于正向，可以作為被動性質(zhì)的微型泵[169]。Thompson 等[169]在平板OHP 中采用了特斯拉式止回閥，如圖7(e)所示，可以有效促進單向循環(huán)，且效果隨熱輸入的增加而提升，整體傳熱性能可提高15%～25%，但需要優(yōu)化特斯拉閥的設(shè)計、數(shù)量和集成方式。Fairley 等[185]通過時頻分析研究了有無特斯拉閥對平板OHP 性能的影響，結(jié)果表明，無特斯拉閥OHP 的溫度信號包含更大振幅和更寬頻率范圍的振蕩，說明特斯拉閥通過促進流動減少了蒸發(fā)器溫度間歇性大幅振蕩的發(fā)生，且特斯拉閥使得高熱通量下的OHP 具有更強的循環(huán)流一致性。de Vries 等[138]為單回路OHP 設(shè)計了新型特斯拉閥，通過單相模擬和穩(wěn)態(tài)兩相流實驗驗證了其功能和雙極性，特斯拉閥產(chǎn)生的雙極性導致不同方向的流速差異為25%，熱阻降低了14%。

研究人員還提出了其他管路結(jié)構(gòu)的新型脈動熱管。為降低重力對OHP 的影響，Hathaway 等[186]設(shè)計了冷凝段匝數(shù)為14、蒸發(fā)段為20 的匝數(shù)不均勻OHP，實驗結(jié)果表明，不均勻OHP 的重力依賴性小，可以在負垂直位置啟動，高熱負荷時的傳熱性能與正垂直位置相當，但低熱負荷時較低。Tseng 等[187]將兩根管焊接構(gòu)成雙管OHP，引入額外的不平衡壓力、毛細力和重力，在負垂直位置仍可以啟動且最低熱阻僅為0.0729℃/W，相比單管OHP，140 W 加熱時雙管OHP 的有效熱導率提升了54.6%。Kato 等[28]實驗研究了單開口直管OHP 的傳熱特性，通過改變結(jié)構(gòu)來研究不同熱傳輸機制，結(jié)果表明，由于傳熱管和儲液器之間的振蕩運動而產(chǎn)生的冷熱工質(zhì)交換，顯著強化了換熱。Liang 等[160]將彎曲成S 形的銅管用于長距離低溫OHP 絕熱段。Qu 等[36-37]設(shè)計了絕熱段為氟橡膠材料的混合柔性O(shè)HP，研究了改變冷熱端空間布置導致的如圖7(f)所示的絕熱段變形（Ⅰ型、階梯型、倒U 型和N 型）對OHP 傳熱性能的影響，結(jié)果表明，混合柔性O(shè)HP 具有較高的空間靈活性，絕熱段的彎曲略微降低了OHP 啟動和傳熱性能，傳熱性能從高到底分別為Ⅰ型、階梯型、倒U 型和N 型；當蒸發(fā)段溫度由高到低變化時，規(guī)律相反。謝付波[188]通過數(shù)值模擬研究了肘形和圓形結(jié)構(gòu)對OHP 啟動時間和振蕩頻率的影響，在肘形蒸發(fā)端作用下啟動時間變短，傳熱系數(shù)更高，而肘形冷凝端對工質(zhì)流動阻力的影響較大。

相比脈動熱管內(nèi)通道結(jié)構(gòu)改進在多個方面的協(xié)同強化作用，外通道結(jié)構(gòu)改進只能從促進工質(zhì)循環(huán)、增強擾動的角度強化傳熱性能，但外通道結(jié)構(gòu)改進方法具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本和難易程度低、穩(wěn)定性好以及適應(yīng)性強等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

2.3 三維脈動熱管

面對高均溫需求、高熱通量、空間結(jié)構(gòu)復雜的散熱工況，傳統(tǒng)的二維脈動熱管有時難以滿足要求，針對實際應(yīng)用工況的管式和板式三維脈動熱管應(yīng)運而生。

為了增加復雜空間內(nèi)的傳熱自由度，Qu等[189-190]將二維OHP 彎曲成多層三維OHP，4 層OHP 的啟動和傳熱性能優(yōu)于其他層數(shù)OHP，且在50%充液率時達到最佳；隨著冷卻風速增加和傾角減小，啟動溫度降低，燒干極限提升；只有傾角對不同層沿長度方向的熱阻有顯著影響，表層與內(nèi)層的熱阻差隨傾角的減小而增大。此外，Qu 等[191]對比了三維OHP和多個二維OHP 與石蠟的耦合性能，石蠟/三維OHP 比石蠟/多個二維OHP 需要更多的時間完全熔化，而固化時間更短，說明三維OHP 相對于多個二維OHP 管具有更好性能。Ling 等[192-193]在多層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了葉狀三維OHP，相同工況下電子器件表面溫度比多層OHP低2℃，傳熱性能更優(yōu)。

花型三維脈動熱管：Chen 等[194-195]設(shè)計了蒸發(fā)段呈花瓣狀、冷凝段呈圓筒狀置于下部的花型OHP，實驗發(fā)現(xiàn)花型OHP 啟動和運行性能良好，最低熱阻可達0.14℃/W，壁溫波動幅度與工質(zhì)比熱容呈正相關(guān)。Czajkowski 等[196]將蒸發(fā)段和冷凝段均為花瓣狀、絕熱段呈筒狀的花型OHP 應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中較高的溫度幅度與獲得從蒸發(fā)端到冷凝端方向上引起段塞內(nèi)驅(qū)流所需的壓力水平有關(guān)，這影響工質(zhì)流量的增加；離心加速度達到5g可有效改善OHP傳熱性能，增加工作壓力也能夠降低熱阻，最低熱阻僅為0.012℃/W。

管狀三維脈動熱管：Sarangi 等[197]將銅管內(nèi)置于圓柱形蒸發(fā)器和冷凝器外殼內(nèi)構(gòu)成管狀三維OHP，實驗研究表明，充液率影響了最大熱負荷，而與啟動熱負荷無關(guān)，最佳充液率取決于工質(zhì)和操作溫度，最小熱負荷可達0.95℃/W。蘭晗暉[198]設(shè)計的管狀三維OHP 在同軸圓管中間通過銅絲構(gòu)成排布緊密的環(huán)狀平行通道，能夠有效提升OHP 傳熱性能和溫度均勻性，實驗研究表明，充液率為55%時達到最小熱阻0.131℃/W，在傾角45°～90°范圍內(nèi)有著良好的反重力特性，隨著功率的增大工質(zhì)振蕩由高振幅低頻率向低振幅高頻率轉(zhuǎn)變，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對OHP 熱阻進行有效預測。Qu 等[199]制作的軸對稱結(jié)構(gòu)三維OHP 易于啟動，傳熱性能良好；隨匝數(shù)增加、充液率減小，軸對稱OHP 傳熱性能提升，傾角為60°、加熱功率低于80 W 時熱阻最?。煌耆袷幒?，軸對稱OHP具有良好的抗重力性。

針對不同水平面間傳熱問題，汪健生等[200-201]提出具有水平蒸發(fā)段和冷凝段結(jié)構(gòu)的三維OHP，數(shù)值模擬研究了不同加熱功率和充液率對OHP 熱性能的影響，無量綱臨界啟動高度隨加熱功率的增加而減小，無量綱高度越大，熱性能越好。李德輝等[202]設(shè)計了蒸發(fā)段垂直其他管路所在平面的三維OHP，實驗研究發(fā)現(xiàn)R410a 為工質(zhì)時啟動性能最佳，縮小冷熱端溫差能小幅降低啟動溫度和溫度波動，但會增加啟動時間。

為了增加緊湊空間內(nèi)的管路數(shù)，Borgmeyer等[203]將管路包裹在冷熱源兩側(cè)構(gòu)成立體環(huán)形OHP，與傳統(tǒng)OHP 不同的是，20 匝OHP 的熱阻隨輸入功率增加而減小，10 匝OHP 則幾乎不變或略微增加；兩種匝數(shù)OHP 的熱阻隨操作溫度升高而減?。怀湟郝试叫?，工質(zhì)運動頻率越高，但熱傳輸能力降低。李驚濤等[89]設(shè)計了立體環(huán)形OHP，工質(zhì)在豎直的蒸發(fā)段受熱向上流動，另一側(cè)冷凝段的工質(zhì)由于重力作用向下流動，適當充液率下OHP 啟動即可實現(xiàn)穩(wěn)定的單向流動，且具有更寬的工作范圍和更好的傳熱性能。He 等[87]通過可視化實驗對立體環(huán)形OHP 的性能和流型進行研究，隨熱負荷的增加，環(huán)形OHP 啟動時間縮短，熱阻減小，但在充液率為40%時出現(xiàn)燒干現(xiàn)象。Wan 等[119]研究了重力、止回閥和非對稱加熱對立體環(huán)形OHP 換熱性能的影響，任意兩個因素組合都可以強化傳熱，但如果止回閥促進的流向和非對稱加熱方式產(chǎn)生的自發(fā)循環(huán)方向相反，則熱阻變大，垂直底部加熱時更明顯。

對于板式OHP，在內(nèi)部設(shè)置多層或厚度方向交錯分布的通道也可以增加單位體積的通道數(shù)。Cheng 等[204]設(shè)計了平板兩側(cè)對稱加工通道、厚度方向通道交錯分布的兩種三維OHP，實驗研究發(fā)現(xiàn)OHP 的熱阻取決于加熱功率和工作溫度，最小熱阻僅為0.078℃/W，并建立用于預測熱管性能的數(shù)學模型。李楠[5]對平板兩側(cè)通道交叉分布的三維OHP 研究發(fā)現(xiàn)，傾角和加熱功率對熱管性能影響較大，隨傾角增加熱阻逐漸減小。Thompson 等[205-207]對三維板式OHP 進行了可視化傳熱實驗以及數(shù)值模擬研究，平板兩側(cè)通道交錯分布OHP 的啟動伴隨著溫度場弛豫和熱振蕩，三維緊湊設(shè)計拓寬了應(yīng)用范圍，最低熱阻僅為0.07℃/W；厚度方向通道交錯分布的OHP 在加熱面積較大時方向依賴性較小，加熱面積減小，蒸發(fā)端熱阻和溫度振蕩幅度增加，有效熱導率隨熱輸入的增加而提高，熱輸入為0.3 kW 時接近15000 W/(m·K)，與外部主動冷卻耦合后可提供10 kW 數(shù)量級的峰值傳熱率。Ibrahim 等[29]制作了具有內(nèi)部多層通道的板式OHP，通道結(jié)構(gòu)與Qu 等[189-191]提出的多層三維OHP 相似，大工況范圍內(nèi)多層通道均有效表明OHP 能夠以多層形式工作。Smoot等[208]設(shè)計了每層均為閉式OHP 的多層板式OHP，研究表明，通道層的加入可以提高總功率、燒干極限和熱導率，傳熱性能最大增幅為單層到二層的4.61 倍；堆疊的獨立層可能對方向敏感性較大，但有助于低功耗運行，同時保持良好的高功耗性能，互連層是方向無關(guān)性的關(guān)鍵；三層OHP 沒有明顯的溫度波動差異，表明熱傳導效應(yīng)不適用于堆疊層。

此 外 ，前 面 所 述 的 螺 旋 結(jié) 構(gòu)OHP[106,130,137,147,161-162]，帶平板蒸發(fā)器或擴熱板以及翅片散熱器的OHP[24,30-31,133-134,145-146,154-155,157-158]，具有臺階型結(jié)構(gòu)蒸發(fā)端和多脈動冷凝端的OHP[149]，均具有三維結(jié)構(gòu)，在此不加贅述。

上述對三維脈動熱管研究的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和圖片在表3中做了整理。

表3 三維脈動熱管Table 3 Three-dimensional oscillating heat pipe

續(xù)表3

針對高熱通量、緊湊性、空間結(jié)構(gòu)復雜等散熱、傳熱應(yīng)用需求，對脈動熱管的結(jié)構(gòu)改進可謂百家爭鳴，提出了結(jié)構(gòu)多樣的新型脈動熱管，推動了脈動熱管技術(shù)的發(fā)展。

3 新結(jié)構(gòu)脈動熱管應(yīng)用研究

考慮到脈動熱管優(yōu)良的傳熱和運行特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域來增強傳熱，效果顯著，新結(jié)構(gòu)脈動熱管是在適應(yīng)實際工況、進一步強化換熱的基礎(chǔ)上提出的。

3.1 熱管理

3.1.1 LED熱管理 LED相比傳統(tǒng)光源具有不可比擬的優(yōu)勢，雖然總發(fā)熱量不高，但熱通量可達106W/m2[68]。而溫度過高會導致LED 發(fā)光效率下降、顏色發(fā)生紅移和壽命縮短等問題，限制了其進一步的應(yīng)用[2]。

板式OHP 可以與LED 芯片較好貼合。鄧阿強等[152-153]將翅片板式OHP用于大功率LED 冷卻，不同功率下強制風冷的散熱效果顯著，溫度均勻；隨著LED 功率和基板面積增大，熱管更容易啟動；高溫（40℃）環(huán)境下OHP 仍可有效冷卻，且啟動時間縮短。林梓榮[2]通過如圖8(a)所示的翅片板式OHP 對64 W 燈盤有效散熱，保持最高溫度在70℃以下。李志等[68-69]還研究了不同冷卻方式、熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)和翅片面積對翅片板式OHP 熱管理性能的影響，結(jié)果表明，自然對流只能對功率低于52 W 的LED 有效冷卻，使冷卻效果較優(yōu)的參數(shù)分別為：充液率30%～50%、丙酮為工質(zhì)、三角形截面、1 mm 水力直徑、翅片面積0.24 m2。李楠[5]提出的平板兩側(cè)通道交叉分布的三維OHP 可以對167 W 功率以下的LED 有效散熱，相同條件下該熱管相比文獻值體積更小，傳熱性能更好。

圖8 新結(jié)構(gòu)脈動熱管用于LED熱管理[2,24,31,146]Fig.8 New structure oscillating heat pipe for LED thermal management[2,,24,31,146]

三維管式脈動熱管可以通過平板蒸發(fā)器與LED 芯片貼合。林梓榮[2]還針對LED 圓筒燈設(shè)計了帶翅片的U 型折彎、中間為平板的管式OHP，如圖8(b)所示，可以保持30 W 燈盤的最高溫度在60℃左右。屈健等[24,31,146]通過平板蒸發(fā)器帶銅粉吸液芯的三維OHP有效冷卻高功率LED[圖8(c)]，隨傾角增大或充液率減小，LED 背溫降低且光照強度增大，傾角的影響隨功率和充液率的增加而增大。進一步，胡靚靚[156]在具有平板蒸發(fā)器的三維OHP 冷凝段添加翅片，并通過熱阻網(wǎng)絡(luò)和數(shù)值模擬研究了翅片間距、面積、高度、數(shù)目及管孔位置對LED 芯片溫度的影響，有助于獲得各因素與LED 芯片溫度之間的關(guān)系。

3.1.2 其他電子器件熱管理 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子器件趨向集成化、小型化，熱通量急劇增加，且溫度同樣對電子器件的性能和壽命影響較大，這對熱管理技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。Miyazaki[209]為筆記本電腦散熱設(shè)計了直線型和機翼型混合柔性O(shè)HP，如圖9(a)所示，在轉(zhuǎn)軸處為可彎曲的特氟龍管，可有效將CPU 熱量傳遞到顯示屏后表面進行散熱，最大傳熱能力可達100 W。Qu 等[74]在半導體中嵌入梯形截面通道微平板OHP，可以顯著降低最大局部溫度，提高溫度均勻性，蒸發(fā)器溫度最大降幅可達34.1%。林梓榮[2]基于OHP 開發(fā)了平板蒸發(fā)端設(shè)有翅片，管路呈U型和L型的GPU散熱模組、翅片板式1U 服務(wù)器散熱模組，分別如圖9(b)、(c)所示，性能優(yōu)于傳統(tǒng)熱管。陸謙逸[1]研究了基于翅片板式OHP 的封閉機柜流場特性，OHP 啟動后機柜內(nèi)的空氣溫度降低，溫度分布更加均勻，OHP 充液率與機柜發(fā)熱功率相適應(yīng)時效果更好；對機柜冷卻系統(tǒng)進行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，并建立簡化模型進行數(shù)值模擬研究，可保證功率不超過1380 W 的機柜CPU 溫度低于60℃。Maydanik 等[154]將帶擴熱板和翅片的立體環(huán)形OHP用于電子冷卻，如圖9(d)所示，驗證了不同加熱模式、傾角和工質(zhì)等條件下熱管的可靠性，甲醇確保了在均勻和集中兩種加熱模式下在最寬的熱負荷適用范圍，但在頂部加熱、水為工質(zhì)時熱管無法啟動。Dmitrin 等[155]進一步研究發(fā)現(xiàn)，該OHP具有變和恒定熱導率兩種工作模式，低熱負荷時熱阻隨熱負荷的增加而顯著降低，脈動機制激活后則變化較小直至最小值。如圖9(e)所示，Ling 等[192-193]將葉狀三維OHP 與相變材料耦合，用于電子設(shè)備的冷卻效果優(yōu)于典型多層三維OHP，與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)地板送風直接冷卻相比，可以降低50%的熱阻；該耦合模塊用于數(shù)據(jù)中心冷卻，在降低42.5%的熱阻、保證溫度不超過最大結(jié)溫的同時，每年能夠節(jié)約186 kW·h的電量。

圖9 新結(jié)構(gòu)脈動熱管用于其他電子器件熱管理[2,154,192-193,209]Fig.9 New structure oscillating heat pipe for other electric thermal management[2,154,192-193,209]

3.1.3 其他熱管理應(yīng)用研究 脈動熱管由于其在傳熱和結(jié)構(gòu)方面的巨大優(yōu)勢，研究者在其他熱管理領(lǐng)域也開展了廣泛的應(yīng)用研究。

周智程等[159]將帶擴熱板和翅片的二維OHP 用于動力電池熱管理，以混合比(1∶1)～(2∶1)之間的乙醇-水為工質(zhì)的OHP 具有更好的啟動和傳熱性能；30%充液率、48 W 加熱功率條件下，電池平均溫度可控制在44℃左右，溫差低于1.5℃，均溫性較好。通過空氣換熱器復制車輛環(huán)境，Burban 等[157]證明了如圖10(a)所示的具有擴熱板和翅片的三維OHP 是混合動力汽車電池熱管理的有效解決方案，但工質(zhì)必須要與冷卻空氣溫度的工作范圍相適應(yīng)。Qu等[37]研究發(fā)現(xiàn)具有微槽冷熱段、可變形絕熱段以及翅片的混合柔性O(shè)HP 在不同空間布置下傳熱性能良好，為復雜空間的電池熱管理提供了一種可能的解決方案。Wang 等[30]將平板蒸發(fā)器內(nèi)含燒結(jié)銅顆粒的三維OHP應(yīng)用于聚光光伏電池冷卻，如圖10(b)所示，熱通量為5.88 W/cm2時可以將電池的溫度保持在57℃以下，這相當于法向太陽輻射強度的58.8倍。

圖10 新結(jié)構(gòu)脈動熱管的其他熱管理應(yīng)用[30,157,210]Fig.10 Other thermal management applications of new structure oscillating heat pipe[30,157,210]

Wu 等[210]設(shè)計了如圖10(c)所示的OHP 輔助刀架，實驗和仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)刀架，最高切削溫度可降低10%，還可以減少刀具磨損，使用壽命延長20%～30%。

Thompson 等[207]將厚度方向通道交錯分布的三維平板OHP 集成到電磁發(fā)射器的孔結(jié)構(gòu)中進行軸向冷卻，相比于純銅軸向傳熱增加了近4000%，軸向傳熱的大小主要取決于冷凝換熱以及內(nèi)孔材料的最大允許溫度。

3.2 太陽能集熱及余熱回收

脈動熱管已經(jīng)在太陽能集熱器領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[194-195]。針對傳統(tǒng)太陽能集熱器的缺陷，Chen等[194-195]受向日葵啟發(fā)設(shè)計了如圖11(a)所示的花型OHP，蒸發(fā)段采用花瓣形狀充分吸收太陽光，冷凝段卷成圓筒狀置于結(jié)構(gòu)下部有效減少占地面積，隨著吸熱板溫度升高，OHP 熱阻最低可降至0.14℃/W，并通過熱損失理論分析與實驗值進行比較，反映各區(qū)域的熱損失；晴天條件下集熱器可以穩(wěn)定運行7 h，系統(tǒng)瞬時熱效率可達50%。Rittidech等[211]研究了帶止回閥閉式OHP 的太陽能集熱器性能，結(jié)果表明，集熱器效率可達76%左右，效率的波動與時間、太陽輻射強度、環(huán)境溫度和圓管表面溫度等有關(guān)，且該集熱器具有無腐蝕和避免冬季結(jié)冰的優(yōu)點。

圖11 新結(jié)構(gòu)脈動熱管在熱利用方面的應(yīng)用[150,194-195]Fig.11 Application of new structure oscillating heat pipe in heat utilization[150,194-195]

低品位余熱在生活和生產(chǎn)中隨處可見，對余熱進行有效回收并高質(zhì)量再利用具有巨大的經(jīng)濟價值，也可以作為可再生能源的補充。Meena 等[122-123]制造了基于止回閥OHP 的空氣預熱器，以降低干燥系統(tǒng)的相對濕度并回收余熱，增加熱風溫度可增強傳熱，增加熱風速度則相反，添加止回閥OHP 后空氣預熱器的相對濕度從82%～100%降低至54%～72%，實現(xiàn)節(jié)能。Mahajan等[151]研究了使用翅片OHP在北美氣候的采暖、通風及空調(diào)系統(tǒng)中對室外和廢氣流之間進行熱交換的可行性，結(jié)果表明，OHP 熱回收風機的壓降僅為40 Pa 左右，但能夠?qū)崿F(xiàn)0.48的熱回收效率，可以預冷/預熱大于5℃；此外，翅片OHP 熱回收風機可有效降低能耗和運營成本，年均降低總能耗約16%，但是需要考慮啟動和傳熱特性以及方向依賴性。進一步，Mahajan 等[150]將翅片OHP 用于如圖11(b)所示的通風余熱回收裝置，實驗結(jié)果表明，填充有70%正戊烷的翅片OHP可以從廢氣流中回收高達(400±40)W 的熱量，而由翅片引起的額外壓降僅為(6.8±2.0) Pa，風扇功耗僅增加1～2 W，相比于裸管OHP 平均熱回收率提高約80%。Zhao 等[136,175-176]將發(fā)散型OHP 用于熱能回收和儲存裝置，研究了不同充液率、工質(zhì)、熱負荷下的熱管啟動和傳熱性能以及各分支傳熱性能分散程度，相比傳統(tǒng)OHP 具有更好的傳熱極限。夏侯國偉等[79,178]設(shè)計了平行四邊形截面的并聯(lián)板式OHP、梯形截面單面并聯(lián)槽道OHP 用于空調(diào)能量回收，通過實驗獲得了適用的最佳工質(zhì)、冷熱段比例、充液率和風速等參數(shù)，傳熱效率相比蛇形OHP 可提升7%～9%，此外，采用+2°左右的安裝微傾角能夠在保證換熱的同時實現(xiàn)各季節(jié)通用。

3.3 其他應(yīng)用研究

除上述應(yīng)用研究以外，研究人員還根據(jù)其他各個領(lǐng)域的熱傳輸需求設(shè)計了新結(jié)構(gòu)脈動熱管。

Supirattanakul等[124]在空調(diào)冷卻盤管前后添加了帶止回閥的立體環(huán)形OHP，如圖12(a)所示，在室內(nèi)設(shè)計溫度20～27℃范圍內(nèi)、50%相對濕度條件下，新冷負荷增加了3.6%，有效減少能耗，OHP 空調(diào)系統(tǒng)的COP和EER值分別可提高14.9%和17.6%。

Yeboah 等[130]將內(nèi)置止回閥的螺旋管式OHP 與圓柱形固體干燥劑填充床系統(tǒng)集成用于等溫吸附，相比單匝閉式OHP 具有更大的蒸發(fā)器，可以容納更多的工質(zhì)，并管理更大的熱輸入，蒸發(fā)器有效熱導率的變化會影響接觸面處的接觸熱阻和蒸發(fā)器的最大熱輸入量。

在第61 次歐空局拋物線飛行活動期間，Mangini等[212]對比了翅片管式OHP在地面和超/微重力環(huán)境下的散熱性能，地面測試表明，設(shè)備垂直位置的等效熱阻為0.1℃/W，但在水平位置啟動失?。辉谖⒅亓ζ陂g，浮力的突然消失激活了振蕩的段塞流狀態(tài)，允許OHP 在水平位置工作；超重力時期能夠消除部分燒干，直到下一個微重力時期恢復正常工作。如圖12(b)所示，Ando等[129]在小型演示衛(wèi)星開展了帶止回閥的U 型板式OHP 在軌試驗，該熱管成功在軌運行且傳熱性能與地面相當，四年內(nèi)沒有觀察到性能下降；初始氣液分布可能導致熱管啟動困難，預處理是解決初始氣液局部化、保證熱管啟動的有效方法。

圖12 新結(jié)構(gòu)脈動熱管的其他應(yīng)用[124,129]Fig.12 Other application of new structure pulsating heat pipe[124,129]

振動環(huán)境下OHP 工質(zhì)的流動是通道毛細力、冷熱端壓差驅(qū)動力、重力以及工質(zhì)流動阻力與振動施加的推動力相互作用的結(jié)果，振頻影響推動力的方向，振幅影響推動力的大小[32]。周華[32]研究發(fā)現(xiàn)，具有毛細芯結(jié)構(gòu)的OHP 與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)脈動熱管相比，對振動環(huán)境的敏感性降低，傳熱性能在振動環(huán)境下會得到不同程度的提升，振頻越小、振幅越大，傳熱性能越好。

相變材料的高潛熱可以儲存大量熱量，而脈動熱管的耦合可以彌補相變材料熱導率低的缺陷。Qu 等[191]將石蠟與多層OHP 耦合用于熱管理，相比石蠟/多個二維OHP，石蠟/多層OHP 需要更多的時間來完全熔化石蠟，且熔融過程中壁面和石蠟的溫度較低，石蠟/多層OHP 的凝固時間更短，表明石蠟/多層OHP 具有更好的性能。Ling 等[192-193]證明了葉狀OHP 性能的提高有助于提升石蠟/OHP 耦合模塊的冷卻性能，且提升效果隨著加熱功率的增加而增強，但靠近管路附近的石蠟由于OHP 的高導熱性難以熔化。Qu 等[199]構(gòu)建了基于軸對稱結(jié)構(gòu)三維OHP的潛熱蓄能單元，與傳統(tǒng)熱管相比，蓄熱效率提高了約32%，三維OHP 系統(tǒng)在放熱過程具有更好的溫度均勻性，有效避免熱量積聚。

本節(jié)介紹了脈動熱管在冷卻、太陽能熱利用、余熱回收等一些代表性的領(lǐng)域的應(yīng)用研究，應(yīng)用前景良好。但是一些應(yīng)用研究尚處于初級階段，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用還需要更深入、系統(tǒng)性的研究。

4 總結(jié)與展望

脈動熱管由于其結(jié)構(gòu)簡單、傳熱性能好以及環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和極大的應(yīng)用潛力。面向高熱通量器件、熱能的利用和回收等領(lǐng)域的高導熱性和工況適應(yīng)性需求，脈動熱管技術(shù)的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)多樣化、功能實用化等特點，研究人員從強化傳熱和提高工況適應(yīng)性等角度提出了結(jié)構(gòu)多樣的新型脈動熱管。本文從強化熱性能的內(nèi)部新結(jié)構(gòu)、適應(yīng)不同工作要求的外部新結(jié)構(gòu)以及新結(jié)構(gòu)脈動熱管應(yīng)用研究三個方面進行歸納總結(jié)，得到的結(jié)論如下。

(1)脈動熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進可以從增強工質(zhì)與壁面換熱、提高循環(huán)驅(qū)動力、促進工質(zhì)振蕩等方面協(xié)同強化脈動熱管的啟動和傳熱性能。脈動熱管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)和浸潤性修飾，可以有效促進液體補充，氣泡的核化、生長和溢出，及冷凝液滴的形成和脫離，增強工質(zhì)與壁面換熱；通過通道結(jié)構(gòu)或布置方式的異型和非均勻設(shè)計，能夠影響初始汽液塞分布和流型變化，引入附加驅(qū)動壓差和壓力擾動。

(2)對脈動熱管外部結(jié)構(gòu)的改進能夠從特定角度強化傳熱。為促進循環(huán)并增強擾動，以附加支路、連通管和特斯拉閥等形式添加管路，或引入多通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)；在冷凝端頂部添加乳膠片、擴容室等，或改進為周期性漲縮式冷凝器，以增大冷熱端壓差；通過管式立體環(huán)形結(jié)構(gòu)、板式多層通道等增強單位體積的傳熱能力；耦合翅片和泡沫金屬等結(jié)構(gòu)的傳熱優(yōu)勢，強化散熱；為降低重力影響，引入冷熱端匝數(shù)不均、雙管等結(jié)構(gòu)。

(3)上述新型脈動熱管的結(jié)構(gòu)改進有效強化傳熱，能夠滿足高熱通量的傳熱需求，而對于熱管理、熱傳輸和熱利用等領(lǐng)域復雜工況的應(yīng)用，多種脈動熱管外部新結(jié)構(gòu)被提出：為保證與冷熱源接觸而設(shè)計的擴熱板、平板蒸發(fā)器和螺旋管等；設(shè)計花瓣狀管路以適應(yīng)旋轉(zhuǎn)工況；針對局部熱點問題的徑向脈動熱管；針對空間復雜工況，提出了多層管路、冷熱段平行或垂直、可變形絕熱段等三維脈動熱管。

相比傳統(tǒng)換熱器甚至傳統(tǒng)熱管，新結(jié)構(gòu)脈動熱管在工況適應(yīng)性、經(jīng)濟性和熱傳輸性能等方面更加優(yōu)良，但目前新結(jié)構(gòu)脈動熱管的理論與應(yīng)用研究基本處于初級階段，實現(xiàn)商業(yè)化還需要更深入、系統(tǒng)的研究，且存在大量關(guān)鍵問題亟需解決，主要包括以下幾個方面。

(1)對新結(jié)構(gòu)脈動熱管操作條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)的實驗研究有限，且局限于單一參數(shù)對其性能的影響，缺乏對各參數(shù)綜合影響的研究。

(2)缺乏新結(jié)構(gòu)脈動熱管與傳統(tǒng)熱管以及其他改進方法的對比，限制了結(jié)構(gòu)改進方法的進一步發(fā)展。

(3)大多數(shù)研究只考慮了單一的結(jié)構(gòu)改進方式，并證明了有效性，合理耦合多種結(jié)構(gòu)改進方式，是進一步提升脈動熱管性能、拓寬應(yīng)用范圍的有效途徑。

(4)對新結(jié)構(gòu)脈動熱管的研究多基于實驗，鮮有對其運行機制、強化機理進行理論分析，且理論研究由于過度簡化存在一定缺陷，能夠反映脈動熱管內(nèi)部相變過程、工質(zhì)流型、運動規(guī)律、顯熱傳遞以及潛熱傳遞的更加精確的數(shù)學模型仍有待建立。

(5)在明晰運行機制的基礎(chǔ)上，面向?qū)嶋H工況設(shè)計出通用性、加工難度和成本低、壽命長的新結(jié)構(gòu)脈動熱管，并獲取最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件。