随着核工业、电子设备、激光二极管等技术的发展,高热流密度甚至超高热流密度的散热问题越来越亟需解决,甚至已经成为制约这些技术发展的瓶颈;特别是近年来引起广泛关注的“大数据”、“云计算”等技术推动了更多大型数据中心的建立,对高热流密度散热也提出了更多的需求;除此之外,在航天系统中,空间低重力或者是无重力等复杂多变的工作环境也迫切需要具备重量轻,灵活性好,稳定性好等特点的新型散热手段。近年来引起研究者关注的高热流散热手段主要包括微型制冷系统、微通道换热、多孔介质换热、喷雾冷却、射流冲击冷却和热管冷却等。而在这些不同的散热手段中,脉动热管由于具有结构简单、传热效果好、布置灵活方便等独特的优点,已经在电子热设计、航空热设计等领域获得了越来越多的关注。不同于普通热管,脉动热管具有的独特运行机理导致其管径必须限制在极限管径范围以内。但由于热阻会随着管径的减少而增加,故极限管径会限制其传热效率的提高;同时管径的限制也会带来脉动热管工质容量的限制,从而影响到脉动热管的传热量以及所能达到的极限热流密度;除此之外,由于气液塞传热性能差异较大,脉动热管蒸发段温度不均匀性较大,特别是当热流密度较高时,很容易出现局部烧干现象。因而本文考虑引入泡沫金属腔体,在充分利用脉动热管的运行原理的基础上,通过泡沫金属的传热优势来增强脉动热管的传热性能。本文针对强化脉动热管传热性能,提出了 一种耦合泡沫金属的改进型脉动热管。该改进型的脉动热管主要是通过引入泡沫金属腔体代替脉动热管的蒸发段和冷却段,充分利用金属泡沫的传热特性以及脉动热管的运行原理,将脉动热管和泡沫金属的优点结合起来,来达到强化脉动热管的传热性能的目的。为充分研究该改进型脉动热管的传热及运行性能,本文从理论和实验两个方面开展了研究。理论上分别对该耦合泡沫金属的改进型脉动热管的蒸发段、冷却段和绝热段进行传热性能计算,分析其热阻变化规律。计算结果表明,蒸发段热阻最低,冷却段次之,而绝热段热阻在整个装置的热阻中占主要部分;相比于乙醇,水作为工质可以取得更好的传热性能。除此之外,本文还从理论上计算了同样管径、弯头数等尺寸参数的常规脉动热管传热性能。通过与耦合泡沫金属的改进型脉动热管传热性能计算结果对比,发现当工质为水时,耦合泡沫金属的改进型脉动热管热阻减少(38.3～42.0)%;当工质为乙醇时,热阻减少(43.3～48.5)%。从理论计算结果可以看出,以泡沫金属取代脉动热管的弯头,可以大幅降低热阻,增强传热性能。本文设计并搭建了耦合泡沫金属的改进型脉动热管性能测试实验台,针对水和乙醇工质,通过实验探究了不同热流密度下的传热及启动特性,以及充液率和加热方式对传热性能的影响。实验结果验证了理论计算结果中通过泡沫金属取代弯头后可以大幅降低热阻的结论。实验结果显示:相比于常规脉动热管,该改进型脉动热管明显具有更大的传热极限和更小的热阻,更能够适应高热流密度散热的需求,并且该改进型脉动热管具有更好的温度均匀性与稳定性;整体来看,相比于乙醇,水作为工质可以取得更好的传热性能;该改进型脉动热管存在最佳充液率为0.2;不同加热方式下该改进型脉动热管均可以取得较好的传热性能,可以满足实际中多热源或者热源不均匀的散热需求。