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脉动热管(PHP)是20世纪90年代发明的非传统热管，它是一种被动但高效的热管理装置，在太阳能电池、燃料电池、空间和电子冷却及混合动力汽车中具有良好的应用前景。PHP分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分，其没有吸液芯辅助工作流体从一个区域流向另一个区域，但毛细作用在这方面起到辅助作用。许多研究表明，流体热动力学和相变行为主要取决于工作流体的类型、填充率(FR)、热输入、抽空压力等。然而，对于PHP的工作机理以及各参数对PHP热性能的影响尚不清楚。此外，研究人员专注于寻找新的工作流体，以更有效的方式提高设备的传热速率。很多实验研究表明，PHP在解决紧凑空间的高效散热需求方面已显示出良好的效果。与传统热管不同，PHP在满足重量和尺寸限制的同时具有处理更大热负荷的潜力。目前，主要研究工作集中在：(1)通过引入非常规流体作为工作流体，如纳米流体或表面活性剂溶液，从而提升PHP的热性能；(2)研究几何形状、填充率、抽空压力、热输入范围、加热和冷却方式等PHP性能的影响。然而，为了全面了解PHP的复杂流动与传热过程，仍亟需深入研究。
本论文将开展不同填充率(FR)下，不同工质PHP流动实验研究，分析PHP在不同热输入下的热响应。对于非可视化实验，采用匝数为8，内径2mm，厚度0.5mm的铜管制作的封闭型PHP。整个实验装置由PHP、加热冷却系统、抽真空充液系统、温度传感器和数据采集系统组成。首先在利用真空泵对PHP进行抽真空，保持90kPa的绝对压力。然后，利用注射器将工作流体通过充液管注入PHP中。将采用去离子水(DI)、甲醇和乙醇作为实验中的常规工作流体，采用表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为非常规的工作流体。实验开始时采用0%FR，不抽真空，作为对比实验，其中热传递仅通过铜管及其内部的空气传导。在15W热源下，PHP系统的热阻为3K/W。此后，使用100%FR的DI，热阻为2.8K/W，此时，传热仅靠单相流体浮力产生的循环流动。当温度上升时，这说明随着脉动流停止，PHP不起作用，实验测试停止。
通过获得蒸发段和冷凝段温度随时间的变化关系，从而分析蒸发段和冷凝段的传热耗散率，计算不同热负荷下的热阻。以甲醇为工质情况下，蒸发段和冷凝段之间的温差波动较大，这主要是由于其饱和压力梯度与温度之比(dP/dTsat)较大。以去离子水为工质，在热负荷为75W，50%FR时，PHP达到最低热阻0.34K/W。在FR为35%，热负荷达到80W之前，50ppm、100ppm、1000ppmCTAC时达到干涸状态。2000ppm可以避免这种干涸状况，在35%FR和50%FR下达到0.30K/W的最低热阻值。当表面活性剂浓度从50ppm增加到2000ppm时，其表面张力值从51.30mN/m降低到38.46mN/m，较低的表面张力倾向于促进流体从蒸发段到冷凝段的上升和下降，反之亦然。另一方面，随着浓度的增加(从50ppm增加到2000ppm)，粘度增加(从1.51×10-3Pa·s增加到2.09×10-3Pa·s)，这阻碍了毛细管内的流动。因此，PHP中的流动是表面张力和粘度之间的权衡。在FR为50%时，2000ppm的CTAC在所有热负荷下具有最低的热阻，而50ppm的CTAC具有最高的热阻。在65%FR时，2000ppmCTAC在较低的热负荷下产生较高的热阻，这可能是由于较高的粘度值，该粘度值阻止蒸发段的高温溶液上升到绝热段和冷凝器段的较冷区。表面张力和粘度值随温度的升高而变化，这种现象影响了PHP的热性能。
在较高的热负荷下，2000ppm溶液达到干涸状态。与100ppm和50ppm溶液相比，1000ppm的热阻最低。2000ppmCTAC在35%和50%FRs下达到的最低热阻，说明了CTAC溶液在PHP中的性能要优于去离子水。表面活性剂溶液的热物理性质对PHP的热性能有积极影响。比热容、蒸发潜热、表面张力和粘度对PHP热性能的影响，随着FR和热负荷条件的不同而不同。结果表明，与传统的工作流体相比，表面活性剂溶液在不同的FR和热负荷下可获得更好的热性能。通过实验研究发现，不同热物理性质的溶液在PHP中的响应不同，这反映在温度变化和热阻值上。
为了研究PHP系统中的相变过程，即气泡形成和气泡运动的影响，本论文将开展PHP可视化实验，从而获得PHP内的流动状态。一旦在蒸发段提供热量，当温度波动发生时，通过精确地监测流动状态，可以清晰地研究PHP的启动特性。同样地，利用高速摄影机可捕捉到汽液相互作用、气泡形成、生长及其溃灭、流动方向和复杂流动的流型。PHP内部的传热机制主要受工作流体的流动状态控制，其进一步分解为气泡生成、气泡生长和环形流动。蒸发段的气泡是由于在这个区域提供足够的热量而产生的，然后这些气泡移动到压力和温度较低的冷凝段区域。PHP内部的传热现象伴随着脉动流道中气泡的产生，生长和溃灭的连续循环，通过对其可视化研究极大地理解PHP的运行机制。目前已有大量研究工作，致力于探索提高脉动热管热性能的途径，揭示脉动热管的工作机理。实验研究表明，PHP在不同几何设计、工质、操作条件等参数下的热性能特性存在差异。
在可视化实验中，将采用采用匝数为4，内径2mm，厚度1mm的玻璃制作的封闭型PHP。通过常规工质和非常规工质的PHP可视化实验，可以清晰地分析PHP工作机理的差异。除了PHP之外，实验系统由抽真空充液系统、加热冷却系统、温度传感器、数据采集系统和图像采集系统组成。气泡的尺寸和流动特性对PHP的热性能有一定的影响。利用高速摄像机捕获其在PHP内的流动特性，从而获得从PHP开始工作到稳定工作阶段的气液两相变化。为了进一步研究，高速摄像机采集时间间隔为25ms，图像分辨率为1280×1024，拍摄速度为每秒400帧，从而可以清晰地记录和分析气泡的运动和形成、蒸发和冷凝。
在加热之前，当充液连接处的止回阀打开时，由于PHP内部压力较低，工作流体从注射器注入PHP。由于表面张力比重力更为重要，工作流体在PHP管内随机分布成液塞和蒸汽塞。根据PHP外壁温度的波动可以测量PHP的启动特性。当液体薄膜从加热壁吸收足够的热量时，开始形成蒸汽泡；大量的蒸汽泡并且蒸汽压力的增加足以推动上部液体状态时，即触发PHP启动。
在相同的工作条件下(50%FR和50W热负荷)，四种不同的工作流体(DI、甲醇、乙醇和300ppmCTAC)中的PHP将产生不同的启动特性。由于无法通过玻璃管外壁获得精确的温度记录，因此启动是PHP内部两相流开始快速振荡的特征。当外壁温度超过120℃时，将停止加热。结果表明，DI和CTAC水溶液分别作为工质时，其PHP的启动时间相当(大致在60s～70s)；甲醇和乙醇作为工质时，其PHP的启动时间也相当(大致在40s～50s)。
对于以去离子水为工质，PHP中的流型主要为环状流。甲醇和乙醇的表面张力值比去离子水低，因此汽泡尺寸较小，但甲醇和乙醇的(dP/dTsat)较高，汽泡在其PHP中的移动较快。在CTAC作为工作介质的PHP中，可以观察到汽泡发生旋转这一独特的流动特性，这很可能是由于蒸发段热量快速传递所造成的。此外，还发现微气泡团簇在冷凝段的运动特性。
本论文通过数值模拟方法研究PHP内部流动特性，采用流体体积模型(VOF)以捕获液相和汽相之间的界面。数值研究不同热负荷和填充比下，工作流体的表面张力和粘度对PHP热性能的影响。与DI-0.07为工质的PHP相比，以CTAC水溶液为工质时，PHP在较高热负荷下具有较低的热阻值。这是因为CTAC水溶液具有更低的表面张力，从而易发生相变，即在相同的热负荷下形成更多的蒸汽，虽CTAC水溶液的粘度增加了，其限制了PHP毛细管内流体流动所能达到的最大速度，但PHP热阻值主要受表面张力影响，因此表面张力的降低增强了PHP热性能。对于以DI-0.07和CTAC水溶液为工质的PHP，35%FR是不利的。在35%FR时，以CTAC水溶液为工质的PHP热性能最差，其热阻值高于DI-0.07的，这表明表面张力的降低会通过促进快速相变而影响PHP的性能，从而诱发CTAC水溶液为工质的PHP过早达到干涸状态。因此，以CTAC水溶液为工质的PHP，在较高的FR下将表现出更好的热性能，且在较高的热负荷下热性能可得到进一步的提高。
本论文将开展不同填充率(FR)下，不同工质PHP流动实验研究，分析PHP在不同热输入下的热响应。对于非可视化实验，采用匝数为8，内径2mm，厚度0.5mm的铜管制作的封闭型PHP。整个实验装置由PHP、加热冷却系统、抽真空充液系统、温度传感器和数据采集系统组成。首先在利用真空泵对PHP进行抽真空，保持90kPa的绝对压力。然后，利用注射器将工作流体通过充液管注入PHP中。将采用去离子水(DI)、甲醇和乙醇作为实验中的常规工作流体，采用表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为非常规的工作流体。实验开始时采用0%FR，不抽真空，作为对比实验，其中热传递仅通过铜管及其内部的空气传导。在15W热源下，PHP系统的热阻为3K/W。此后，使用100%FR的DI，热阻为2.8K/W，此时，传热仅靠单相流体浮力产生的循环流动。当温度上升时，这说明随着脉动流停止，PHP不起作用，实验测试停止。
通过获得蒸发段和冷凝段温度随时间的变化关系，从而分析蒸发段和冷凝段的传热耗散率，计算不同热负荷下的热阻。以甲醇为工质情况下，蒸发段和冷凝段之间的温差波动较大，这主要是由于其饱和压力梯度与温度之比(dP/dTsat)较大。以去离子水为工质，在热负荷为75W，50%FR时，PHP达到最低热阻0.34K/W。在FR为35%，热负荷达到80W之前，50ppm、100ppm、1000ppmCTAC时达到干涸状态。2000ppm可以避免这种干涸状况，在35%FR和50%FR下达到0.30K/W的最低热阻值。当表面活性剂浓度从50ppm增加到2000ppm时，其表面张力值从51.30mN/m降低到38.46mN/m，较低的表面张力倾向于促进流体从蒸发段到冷凝段的上升和下降，反之亦然。另一方面，随着浓度的增加(从50ppm增加到2000ppm)，粘度增加(从1.51×10-3Pa·s增加到2.09×10-3Pa·s)，这阻碍了毛细管内的流动。因此，PHP中的流动是表面张力和粘度之间的权衡。在FR为50%时，2000ppm的CTAC在所有热负荷下具有最低的热阻，而50ppm的CTAC具有最高的热阻。在65%FR时，2000ppmCTAC在较低的热负荷下产生较高的热阻，这可能是由于较高的粘度值，该粘度值阻止蒸发段的高温溶液上升到绝热段和冷凝器段的较冷区。表面张力和粘度值随温度的升高而变化，这种现象影响了PHP的热性能。
在较高的热负荷下，2000ppm溶液达到干涸状态。与100ppm和50ppm溶液相比，1000ppm的热阻最低。2000ppmCTAC在35%和50%FRs下达到的最低热阻，说明了CTAC溶液在PHP中的性能要优于去离子水。表面活性剂溶液的热物理性质对PHP的热性能有积极影响。比热容、蒸发潜热、表面张力和粘度对PHP热性能的影响，随着FR和热负荷条件的不同而不同。结果表明，与传统的工作流体相比，表面活性剂溶液在不同的FR和热负荷下可获得更好的热性能。通过实验研究发现，不同热物理性质的溶液在PHP中的响应不同，这反映在温度变化和热阻值上。
为了研究PHP系统中的相变过程，即气泡形成和气泡运动的影响，本论文将开展PHP可视化实验，从而获得PHP内的流动状态。一旦在蒸发段提供热量，当温度波动发生时，通过精确地监测流动状态，可以清晰地研究PHP的启动特性。同样地，利用高速摄影机可捕捉到汽液相互作用、气泡形成、生长及其溃灭、流动方向和复杂流动的流型。PHP内部的传热机制主要受工作流体的流动状态控制，其进一步分解为气泡生成、气泡生长和环形流动。蒸发段的气泡是由于在这个区域提供足够的热量而产生的，然后这些气泡移动到压力和温度较低的冷凝段区域。PHP内部的传热现象伴随着脉动流道中气泡的产生，生长和溃灭的连续循环，通过对其可视化研究极大地理解PHP的运行机制。目前已有大量研究工作，致力于探索提高脉动热管热性能的途径，揭示脉动热管的工作机理。实验研究表明，PHP在不同几何设计、工质、操作条件等参数下的热性能特性存在差异。
在可视化实验中，将采用采用匝数为4，内径2mm，厚度1mm的玻璃制作的封闭型PHP。通过常规工质和非常规工质的PHP可视化实验，可以清晰地分析PHP工作机理的差异。除了PHP之外，实验系统由抽真空充液系统、加热冷却系统、温度传感器、数据采集系统和图像采集系统组成。气泡的尺寸和流动特性对PHP的热性能有一定的影响。利用高速摄像机捕获其在PHP内的流动特性，从而获得从PHP开始工作到稳定工作阶段的气液两相变化。为了进一步研究，高速摄像机采集时间间隔为25ms，图像分辨率为1280×1024，拍摄速度为每秒400帧，从而可以清晰地记录和分析气泡的运动和形成、蒸发和冷凝。
在加热之前，当充液连接处的止回阀打开时，由于PHP内部压力较低，工作流体从注射器注入PHP。由于表面张力比重力更为重要，工作流体在PHP管内随机分布成液塞和蒸汽塞。根据PHP外壁温度的波动可以测量PHP的启动特性。当液体薄膜从加热壁吸收足够的热量时，开始形成蒸汽泡；大量的蒸汽泡并且蒸汽压力的增加足以推动上部液体状态时，即触发PHP启动。
在相同的工作条件下(50%FR和50W热负荷)，四种不同的工作流体(DI、甲醇、乙醇和300ppmCTAC)中的PHP将产生不同的启动特性。由于无法通过玻璃管外壁获得精确的温度记录，因此启动是PHP内部两相流开始快速振荡的特征。当外壁温度超过120℃时，将停止加热。结果表明，DI和CTAC水溶液分别作为工质时，其PHP的启动时间相当(大致在60s～70s)；甲醇和乙醇作为工质时，其PHP的启动时间也相当(大致在40s～50s)。
对于以去离子水为工质，PHP中的流型主要为环状流。甲醇和乙醇的表面张力值比去离子水低，因此汽泡尺寸较小，但甲醇和乙醇的(dP/dTsat)较高，汽泡在其PHP中的移动较快。在CTAC作为工作介质的PHP中，可以观察到汽泡发生旋转这一独特的流动特性，这很可能是由于蒸发段热量快速传递所造成的。此外，还发现微气泡团簇在冷凝段的运动特性。
本论文通过数值模拟方法研究PHP内部流动特性，采用流体体积模型(VOF)以捕获液相和汽相之间的界面。数值研究不同热负荷和填充比下，工作流体的表面张力和粘度对PHP热性能的影响。与DI-0.07为工质的PHP相比，以CTAC水溶液为工质时，PHP在较高热负荷下具有较低的热阻值。这是因为CTAC水溶液具有更低的表面张力，从而易发生相变，即在相同的热负荷下形成更多的蒸汽，虽CTAC水溶液的粘度增加了，其限制了PHP毛细管内流体流动所能达到的最大速度，但PHP热阻值主要受表面张力影响，因此表面张力的降低增强了PHP热性能。对于以DI-0.07和CTAC水溶液为工质的PHP，35%FR是不利的。在35%FR时，以CTAC水溶液为工质的PHP热性能最差，其热阻值高于DI-0.07的，这表明表面张力的降低会通过促进快速相变而影响PHP的性能，从而诱发CTAC水溶液为工质的PHP过早达到干涸状态。因此，以CTAC水溶液为工质的PHP，在较高的FR下将表现出更好的热性能，且在较高的热负荷下热性能可得到进一步的提高。