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脉动热管传热性能多因素影响的实验剖析与机制探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代科技的迅猛发展，电子设备的集成度不断提高，芯片功率密度急剧增加，由此产生的散热问题成为制约电子设备性能提升与可靠性保障的关键因素。例如，在高性能计算机领域，CPU的运算速度不断加快，其功耗也随之大幅上升，若散热不畅，将导致芯片温度过高，进而引发系统运行不稳定、寿命缩短等一系列问题。在航空航天领域，电子设备需在极端环境下稳定运行，散热条件严苛，高效散热技术的需求更为迫切。传统的散热方式，如风冷、水冷等，在面对高热流密度散热需求时，逐渐显露出局限性，难以满足日益增长的散热要求。

脉动热管作为一种新型高效的传热元件，自问世以来便受到了广泛关注。它于20世纪90年代被提出，具有结构简单、传热效率高、均温性好、可适应复杂空间布置等显著优点，被认为是解决微小空间、高热流密度条件下散热问题的极具潜力的方案，在电子设备散热、能源利用、航空航天等众多领域展现出广阔的应用前景。在电子设备散热方面，可将脉动热管集成于芯片散热器中，有效降低芯片温度，提升设备性能；在能源领域，可应用于太阳能集热器，提高集热效率，增强能源转换利用效率；在航空航天领域，其轻量化、高效传热的特性，能满足飞行器对设备紧凑性与散热性能的严格要求。

然而，尽管脉动热管具有诸多优势，但其内部传热机理极为复杂，涉及到相变传热、多相流动力学、热力学等多个学科领域，目前尚未形成完善统一的理论体系。不同研究者的实验结果和理论模型存在一定差异，导致在实际应用中，难以准确预测和优化脉动热管的传热性能，限制了其进一步的推广应用。例如，在充液率、加热功率、工质种类等因素对脉动热管传热性能的影响规律方面，尚未达成完全一致的结论，使得在设计和选择脉动热管时缺乏足够可靠的理论依据。因此，深入开展脉动热管传热性能的实验研究，探究其传热机理，明确各因素对其传热性能的影响规律，对于推动脉动热管技术的发展与应用具有重要的理论意义和实际价值。通过实验研究，能够获取真实可靠的数据，为理论模型的建立和完善提供坚实基础，进而为脉动热管的优化设计和工程应用提供科学指导，使其更好地服务于现代科技发展的需求。

1.2研究目的

本研究旨在通过系统的实验，深入探究脉动热管的传热性能及其影响因素，为脉动热管的理论研究与工程应用提供坚实的实验数据支撑和科学指导。具体而言，主要目标包括：

全面测量传热性能参数：精确测量不同工况下脉动热管的传热功率、热阻、传热系数等关键传热性能参数，建立其传热性能的量化评价体系。通过详细的测量与分析，明确脉动热管在不同条件下的传热能力和效率，为后续的性能优化和应用设计提供准确的数据基础。

深入分析影响因素：系统地研究充液率、加热功率、工质种类、管径、弯头数等因素对脉动热管传热性能的影响规律。采用控制变量法，逐一改变各影响因素，观察和分析传热性能的变化情况，深入揭示各因素与传热性能之间的内在联系。例如，探究充液率的变化如何影响管内气液两相的分布与流动，进而影响传热性能；分析加热功率的增加对脉动热管启动特性、传热极限等方面的影响。

观察内部流动与传热现象：借助可视化实验技术，直接观察脉动热管内部工质的流动形态、汽液两相的分布与变化，以及传热过程中的相变现象。通过可视化手段，获取直观的实验信息，深入理解脉动热管内部复杂的传热机理，为理论模型的建立和验证提供可视化依据。比如，观察在不同工况下，管内工质是如何形成塞状流、环状流等不同流型的，以及这些流型对传热性能的影响。

建立传热性能预测模型：基于实验数据和对传热机理的深入理解，建立适用于脉动热管的传热性能预测模型。通过对实验数据的分析与处理，运用数学方法和理论推导，建立能够准确预测脉动热管传热性能的模型，为其在工程实际中的设计和应用提供便捷、可靠的工具。该模型应能够考虑多种影响因素，具备一定的通用性和准确性，可根据实际工况条件预测脉动热管的传热性能，为工程设计提供理论指导。

1.3国内外研究现状

脉动热管自问世以来，在国内外引发了广泛的研究热潮，众多学者从不同角度对其传热性能展开了深入探究，取得了一系列具有重要价值的研究成果，但也存在一些尚未解决的问题与挑战。

国外方面，Khandekar等学者将影响脉动热管传热特性的因素系统地归结为几何参数（如管径、管径截面形状、弯头数、蒸发段与冷凝段长度等）、物理参数（包括工质热物性、充液率等）以及操作参数（例如放置位置、加热与冷却方式等），这一分类方式为后续研究提供了清晰的框架，使得研究者能够有条理地分析各因素对传热性能的影响。Miyazaki等对脉动热管的充液率与加热方式的关系进行了研究，认为脉动热管的最佳充液率与加热方式密切相关，揭示了充液率这一关键因素并非孤立存在，而是与加热方式相互作