單環(huán)形振蕩熱管的數(shù)值模擬研究

張 濤，左洪桃，王立鵬，王欣彥，唐嘉璐

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，市場(chǎng)對(duì)于高效散熱器的需求也越來(lái)越大。振蕩熱管又名脈動(dòng)熱管，產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代初期，是優(yōu)于普通熱管的一種新型獨(dú)特傳熱原件。它是由蛇形毛細(xì)管組成的，內(nèi)部充滿換熱工質(zhì)，一般情況下包括三個(gè)部分：蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段。與傳統(tǒng)熱管相比，振蕩熱管具有獨(dú)特的特點(diǎn)：內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外部配置靈活，傳熱能力強(qiáng)，傳熱極限高，加熱方式靈活，成本低等。因此能夠廣泛應(yīng)用于電子元器件散熱，太陽(yáng)能集熱器，余熱回收，地板采暖，運(yùn)輸制冷等各種涉及傳熱的領(lǐng)域，尤其用于小空間高熱流密度的換熱場(chǎng)合，具有極好的發(fā)展前景。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)振蕩熱管進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬和理論分析，但依然有待完善。其中，徐德好等[1]對(duì)板式脈動(dòng)熱管在不同加熱功率條件下的流體流型演化和相變傳熱特性進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)值模擬得到了泡狀流、柱塞流、環(huán)狀流是該型熱管內(nèi)的主要流型。Liu和Chen[2]對(duì)平板振蕩熱管的熱流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析，得出了不同填充比下平板振蕩熱管的氣液兩相流流型和溫度分布。李培生等[3]對(duì)振蕩熱管初始化和運(yùn)行過(guò)程中氣液兩相的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：管內(nèi)工質(zhì)循環(huán)的重要?jiǎng)恿?lái)源是氣泡的產(chǎn)生和形態(tài)變化。Ling等[4]設(shè)計(jì)了二維和三維的振蕩熱管，并對(duì)其在電子冷卻條件下的溫度振蕩傳熱特性及流型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Zhao等[5]以雙支路閉環(huán)振蕩熱管模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，揭示了不同熱源模式下(非均勻脈沖熱源模式、均勻脈沖熱源模式和交替熱源模式)振蕩熱管內(nèi)部工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和傳熱機(jī)理?，F(xiàn)有的相關(guān)研究多是模擬流形且存在眾多假設(shè)，和實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)依然有很大區(qū)別。

本文基于VOF方法建立了振蕩熱管模型，并使用Fluent軟件對(duì)熱管內(nèi)部的工質(zhì)流形進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)分析振蕩熱管內(nèi)部介質(zhì)溫度、氣液兩相流速度和管內(nèi)壓力，對(duì)熱管的啟動(dòng)和循環(huán)機(jī)理以及熱管運(yùn)行的安全性進(jìn)行了研究。

1 建立模型

1.1 VOF (volumeoffluid)方法

VOF方法是一種廣泛應(yīng)用于研究不相互混合的流體界面的追蹤方法。在此模型中，各流體的體積分?jǐn)?shù)和是1。通過(guò)計(jì)算各相的體積分?jǐn)?shù)來(lái)確定界面位置，并對(duì)其進(jìn)行研究。

1.2 模型參數(shù)

數(shù)值模擬所使用的模型為單環(huán)閉式振蕩熱管，管內(nèi)工質(zhì)設(shè)定為水，整體結(jié)構(gòu)分為加熱段、絕熱段和冷凝段三部分，模型總長(zhǎng)為72mm，熱管內(nèi)徑為2mm。振蕩熱管的結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1，底部為加熱段，頂部為冷卻段。采用恒熱流密度的邊界條件，加熱功率為40W。充液率設(shè)置為60%，迭代步長(zhǎng)為10-5s。

圖1 振蕩熱管結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

2 模擬與分析

通過(guò)FLUENT數(shù)值模擬，得到了在t=2秒，振蕩熱管內(nèi)部流體介質(zhì)的場(chǎng)量分布。計(jì)算分析結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 溫度場(chǎng)

圖3 速度矢量圖

圖2為振蕩熱管內(nèi)部介質(zhì)溫度場(chǎng)云圖，下部白色對(duì)應(yīng)的為高溫區(qū)，對(duì)應(yīng)的最高溫度為459K，上部白色對(duì)應(yīng)的為低溫區(qū)。圖3為氣液兩相流速度矢量圖，從圖中可以看出，氣液兩相流處于循環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖4 相圖

圖4為振蕩熱管內(nèi)汽液兩相流的相圖，圖中黑色的部分表示液體，灰色部分表示汽體。從圖4可以看出，在正常溫度范圍內(nèi)，振蕩熱管內(nèi)部的液膜是完整的，如圖4所示。當(dāng)溫度持續(xù)升高，液膜就會(huì)逐漸蒸發(fā)直至蒸干，造成安全的威脅。圖5 為壓力等值線圖，可見(jiàn)由于管內(nèi)壓力的變化，推動(dòng)液柱在管內(nèi)做振蕩循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

圖5 壓力圖

3 結(jié)論

對(duì)振蕩熱管進(jìn)行建模和對(duì)熱管運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的結(jié)論有：

(1)振蕩熱管在運(yùn)行過(guò)程中，氣液兩相流處于循環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(2)在正常溫度范圍內(nèi)，振蕩熱管內(nèi)部的液膜是完整的，當(dāng)溫度持續(xù)升高，液膜就會(huì)逐漸蒸發(fā)直至蒸干，造成安全的威脅。

(3)由于管內(nèi)壓力的變化，推動(dòng)液柱在管內(nèi)做振蕩循環(huán)運(yùn)動(dòng)。