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脉动热管启动及运行特性的可视化实验研究

周跃国  
【摘要】: 脉动热管作为一种新型热管,其结构和工作原理与常规热管有很大的不同,它内部没有毛细芯。当管径足够小时,工质会在表面张力等力的作用下自然地以汽液柱的形式分布于管内,并通过汽液柱的轴向振荡和工质的相变来传递热量。与传统热管相比脉动热管具有结构简单、价格低廉、传热性能优良等优点,故在电子元器件及航空航天领域的散热系统中极具应用和发展潜力。 可视化实验不但能够加深对脉动热管运行机理的感性认识而且有利于建立精确的数学建模,因此本文首先对脉动热管进行了可视化实验研究;由于脉动热管能否顺利启动和运行不但关系到它的应用领域的拓展而且也影响着电子装置的稳定性,故本文对脉动热管的启动及运行特性进行了实验分析;然后用热阻对脉动热管的传热性能进行了评价,并分析了其影响因素;最后对脉动热管进行了基础 理论分析。根据以上的研究内容得到了如下几个结论: ①可视化实验 用数码相机对脉动热管运行过程中的流型和流向变化做了全程拍摄,对启动过程中出现的物理现象进行了描述和分析。观察结果表明,管内的流型以长柱状流为主,夹杂少量的连珠状流;管内压力分布的不断调整使得流向由最初的局部无定向流动变为最终的在整个管道内的顺时针流动。 ②启动及运行特性实验 实验结果表明,1)三种工质相比,甲醇的启动时间最短,当到达稳定运行阶段后其温度脉动幅度和脉动频率也最大,乙醇次之、水的启动时间最长但启动温升最小;2)在工质种类及倾斜角度相同的情况下,60%充液率时的启动时间最短?45%次之?90%最长;3)在工质种类及充液率相同时,垂直放置、底部加热时脉动热管启动最迅速。在逆重力模式下脉动热管不能启动。 ③热阻计算及其影响因素分析 用热阻对脉动热管的传热效果进行了评价。结果表明,脉动热管的最小热阻为0.181K/W。充液率、倾斜角度、工质种类对热阻都有很大的影响作用。 ④基础理论分析 对脉动热管进行了基础理论分析。将液膜轮廓分为平衡液膜区、过渡液膜区和宏观液膜区并在合理的简化和假设的基础上建立了汽-液塞的质量、动量、能量方程。


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