振荡流热管传热机理及其与脉动外场之间的耦合作用

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振荡流热管不仅具有优良的传热性能,还有结构简单、可以随意弯曲,可以采用不同的加热方式和加热位置,易于实现微型化等独特的优点,自其诞生之日起便受到了许多学者的关注。本文采用理论分析和实验研究相结合的方法对振荡流热管传热规律及外场强化方法进行了研究,主要有以下研究工作:1.成功制作了性能优异的振荡流热管,通过实验详细分析了以水和乙醇为工质时,充液率、倾斜角度、加热温度对热管传热性能的影响规律,并对两种不同工质的热管启动特性和传热性能进行了比较。2.建立了简化的振荡流热管物理数学模型,在模型中引入了扩展弯月面蒸发液膜理论,考虑了汽泡和壁面之间液膜厚度、分离压力、表面张力和重力的影响,建立了基于拉格朗口法的质量、能量和动量守恒控制方程。采用显式有限差分法对方程离散化进行数值求解,得出了在不同直径和倾斜角度下热管内部温度、压力、位移的变化,以及直径、倾斜角度对热管性能的影响。3.采用理论建模与数值计算的方法,研究了脉动外场与振荡流热管内部振荡流动、热传递过程之间的耦合作用及对传热性能的影响。4.首次提出了脉冲加热强化振荡流热管传热的方法。实验结果表明,脉冲加热强化振荡流热管传热的方法是可行的。除了极个别工况,脉冲加热振荡流热管的传热性能均优于连续加热。当维持加热功率不变,改变脉冲宽度和脉冲间隔时,热管的传热性能亦随之发生变化,此时脉冲加热热管性能亦优于连续加热。脉冲加热对热管内脉动机制产生影响,外场与内场之间存在耦合效应,其优化运行参数仍需进一步的探讨。5.对热管壁面温度信号进行了分析,定义了表征热冲击强度的参数——脉动因子fA。当热管具备优良的传热性能时,fA的值也最大,fA一定程度上反映了热管的传热性能。6.首次提出了声空化强化振荡流热管传热性能的方法。实验结果表明,声空化外场强化传热方法是可行的。但与已有文献结果不同,同样是单相对流换热,强化效果并非与声空化场强度成正比,甚至在有些情况下反而削弱了传热。在合适的声空化强度下,能获得显著强化效果,声空化外场与内场之问有明显的耦合作用。这些与常规声空化强化传热完全不同的结果,表明声空化外场对振荡流热管具有独特的作用,其特殊的规律,以及内、外场之间的耦合作用有必要进行更加深入的研究。
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