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脉动热管是一种高效的传热元件,具有传热温差小,传热效率高,结构简单,适应性强等优点。在低温领域,脉动热管可应用于制冷机冷量传输、低温超导、航空航天等方向。目前,低温脉动热管内工质的气液流动及其传热机理仍未能得到充分揭示,由于低温脉动热管的可视化实验开展难度较大,因此理论分析及模拟研究将有助于理解低温条件下脉动热管的传热特性。本文综合脉动热管中流动与传热的相互耦合作用,传热传质中的气液界面变化,针对液氢温区单环路脉动热管建立了二维非稳态数值模型。在本文中,VOF(Volume of Fluid)方法和CSF(Continuum Surface Force)方法分别被用于追踪气液相界面和模拟表面张力,恒热流密度和恒温分别作为脉动热管启动后蒸发段和冷凝段的边界条件,重点开展了以下三方面的工作:(1)分析了固定充液率条件下(80%)脉动热管在不同阶段的流动及传热特性,得到了脉动热管启动阶段气泡的产生、气塞的膨胀、缩小等行为以及管内工质的流型变化。研究结果表明,重力在初始阶段起到了十分重要的作用,蒸发段与冷凝段之间的压差为脉动热管的启动提供了基础,启动特征与管内的压力变化有关,在80%充液率时工质在启动阶段存在三种流动方式。(2)分析了稳定阶段脉动热管的速度波动与温度波动的关系,探究了管内工质的流动及传热机理。同时,讨论了加热功率(0.27W、0.5W、0.75W、1W和1.25W)和充液率(40%、50%、60%、70%和80%)对传热性能的影响,比较了不同工况下脉动热管的热阻大小。结果表明:进入稳定阶段后,蒸发段壁面温度呈周期性的振荡,且温度波动与工质的速度波动具有相同的频率。工质的流动形式与充液率有关,当充液率小于80%时,工质主要为振荡流动;而当充液率为80%时,工质在管内主要为循环流动。相同充液率下,随着加热功率的增加脉动热管的热阻逐渐降低并趋于稳定。相同加热功率下,充液率为40%,脉动热管的热阻最大,在80%充液率下,加热功率为0.75W和1W时,热阻达到最小值2.13K/W。(3)项目组开展了液氢温区脉动热管的实验研究,本文简要介绍了实验内容,主要把模拟结果与实验数据进行了比较,在80%充液率条件下,两者之间的误差最大不超过15%;在60%充液率下,实验结果与数值模拟的差距在30%～40%之间。