考虑接触角滞后的脉动热管工质运动特性研究 屈健.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号： 考虑接触角滞后的脉动热管工质运动 特性研究 屈 健孙 芹王 谦（江苏大学 能源与动力工程学院，镇江 212013） (Tel: Email: rjqu@mail.ujs.edu.cn) 摘要将汽、液塞工质接触角滞后毛细阻力引入Ma等的模型[6]中，并在考虑管间压力不平衡影响下建立了描述脉动热管工质运动特性的数学模型。研究了脉动热管充液率、管长、管径、冷/热段温差和工质种类对管内工质运动位移及速度的影响规律。模拟结果发现，脉动热管启动后在短时间内即可进入稳定周期振荡阶段。进入稳定阶段后，工质运动位移和速度振幅随着充液率的提高而下降，不同充液率下的振荡周期存在最大值。同时，工质运动位移振幅随管长的增大而提高，而振荡周期则均随管长的增大而减小；管径对工质运动特性的影响与振荡频率大小密切相关，固有频率时振幅最大。工质运动位移和速度振幅随着热管冷/热段温差的增大而提高，振荡周期则基本保持不变。工质为水时的位移振幅最大，乙醇次之，R141b最小，而速度振幅则与其刚好相反。关键词脉动热管；接触角滞后；运动特性；模拟 引言 脉动热管是20世纪90年代初日本学者Akachi[1]提出的一种新型热管，具有结构简单、体积小、设计灵活、传热能力强等优点，因可以较好地满足微小空间高热流密度散热的需要，近年来受到各国学者的普遍关注。 目前，脉动热管主要以实验研究为主，包括热管的启动、传热特性和可视化等[2]。而在理论方面，由于脉动热管内工质运动极为复杂，具有高度非线性、结构不稳定且影响因素众多特征，使其长期处于探索的研究层面，所建模型理论预测与实验结果相比普遍吻合不理想，且模型通用性不强[3]。在涉及脉动热管的众多模型中，“弹簧-质量-阻尼系统”模型因模拟方法简单、能够较好地反映热管内工质振荡运动的基本特性而成为一种重要的方法，并在构成其它更加复杂模型方面扮演着重要角色。Zuo North[4]利用模拟脉动热管内单个汽、液塞的振荡，分析了运动特性。Wong 等[5]则通过Lagrange 逼近法对脉动热管内汽、液塞运动进行模拟，所得结果能够较好地反映热管内的工质运动特征。Ma 等[6, 7]通过考虑汽、液塞热驱动力、摩擦阻力等建立了描述脉动热管单个管内工质运动的模型，并获得了工质运动特性与充液率等参数之间的变化关系。但Ma 等的模型中并未考虑工质运动时因接触角滞后引起的毛细滞后阻力作用，而文献[8-10]中指出该阻力在脉动热管工质运动中不能简单忽略本文将汽、液塞工质运动接触角毛细滞后阻力引入Ma等[6]的模型中，并在考虑脉动热管管间压力不平衡对驱动单个管内工质运动作用影响的基础上，建立了能够更加准确描述工质运动特性的基本模型。通过模拟和分析，深入研究了充液率、管长、管径、蒸发段/冷凝段温差和工质种类等对脉动热管内工质振荡运动的影响规律。 模型建立与求解 1.1 模型的建立 图热管局部某单个管内的汽、液塞振荡运动。 图1 脉动热管局部单个管内工质运动示意图 由于热管内汽相密度远小于液相密度，因此图1由液相运动引起的摩擦压降远大于汽相，可忽略汽相摩擦压降而仅保留液相部分。除摩擦压降外，汽、液塞在运动会因接触角滞后在汽-液相界面处产生额外的毛细压降，一定情况下该压降和与之相邻的液塞摩擦压降大小相当，不能忽略[10]。 Kreutzer 等[11]提出了微小通道内因接触角滞后在单个塞两侧所形成的毛细压降，即 （1） 其中，Re=ρ1UTHD/μ1为雷诺数；Ca=μ1UTH/σ为毛细数（UTH =Ul +Uv管内工质运动表观速度）；α为常数，本模拟中取文献[11]的实验测量结果0.17；Ls为液塞长度；D为管内径。 公式（1）中的管径和液塞长度之比D/Ls可Qian 与Lawal 等[12]针对微细圆管内气-液两相流的结果确定，他们发现液塞长度与管径之间存在如下关系： （2） 其中，ε表示管内液相所占体积比，与本研究中脉动热管的充液率φ近似相等，可由其代替。 将式（2）取倒数代入式（1）中，整理后得 （3） 若图1管内汽塞数为n，因接触角滞后产生的总毛细压降可表示为 （4a） 虽然脉动热管内液塞长度大小不一，但本模型假设其长度相等，将Ls取为所有长度的平均值，（4a）中右