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纳米流体扩容型脉动热管的传热研究

曹滨斌  
【摘要】:本课题以近年国际传热领域研究热点——单环路脉动热管(CLPHP)为研究对象,以开发新结构、试用新工质为目的,运用可视化实验与混沌动力学方法进行分析,所得结论为其在实际工程领域的应用提供了实验与理论基础。通过对实验现象的观察,传热性能的计算,并与CLPHP启动运行时测得时间—温度曲线的比较,得到特征温度曲线,其能够体现管内工质运行状态,反应传热情况,为实际应用中快速判断脉动热管运行情况提供方便。在分析传统型CLPHP蒸发段缓慢受热时启动失败的原因基础上,以增强管内压力波动为目的,通过顶部设置扩容室,提出新型扩容型CLPHP,实验证明可有效提高脉动热管启动性能。 通过对新型扩容型CLPHP传热性能影响因素的研究表明:提高加热功率,可以降低启动温度,但加热功率过高,则导致干烧;重力对运行起促进作用,所以脉动热管竖直底加热时传热性能最佳;低充液率时,需对脉动热管进行局部点加热才能启动并维持运行,定性说明了运行过程具有混沌动力学的“蝴蝶效应”特征;增大扩容室容积可进一步降低脉动热管启动温度,提高传热性能,但加热功率较高时,扩容室内工质存液增加,导致传热性能下降。采用酒精为脉动热管工质,研究表明:工质表面张力决定充液初始分布状态,工质汽化潜热与饱和温度决定启动温度,工质汽化潜热与比热决定传热性能,因此,应选择汽化潜热较小,饱和温度较低且比热较大的流体作为扩容型CLPHP的工质。 以近年国际传热领域另一研究热点——纳米流体为工质(TiO_2-水),研究表明:利用分散剂所得纳米流体更加均匀稳定;纳米流体强化传热作用明显,加热水60℃-65℃范围内,1.5%TiO_2-水纳米流体提高传热功率20%左右,提高当量导热系数50%左右;加热水70℃-75℃范围内,0.7%TiO_2-水纳米流体提高传热功率20%左右,提高当量导热系数50%左右;纳米颗粒在基流体中的分散性,是强化作用实现的关键,一旦发生团聚沉降,则强化作用消失,并导致传热恶化。应用混沌动力学对扩容型CLPHP的运行传热过程进行分析,通过相空间重构表明:当CLPHP处于稳定运行阶段时,吸引子呈结构紧凑的团状分布;处于启动阶段时,吸引子均匀分布于相空间;处于干烧阶段时,吸引子呈狭长的带状分布。通过混沌动力学特征参数的计算,从定量角度判断CLPHP传热过程具有混沌动力学特征,且随着当量导热系数的增大,最大Lyapunov指数减小,最佳维数升高,最佳时间延迟减小。


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