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脉动热管传热极限：热性能与可视化实验的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代科技的迅猛发展，在电子设备、能源利用、航空航天等众多领域，高效传热技术成为推动其进步的关键因素之一。在电子设备领域，芯片集成度的不断攀升和功率密度的急剧增长，使得设备运行时产生的大量热量若不能及时散发，将严重制约设备性能提升，甚至引发故障。在能源领域，无论是太阳能热能收集系统，还是工业余热回收装置，高效的热量传递和管理都是提高能源利用效率、实现节能减排的核心环节。

脉动热管作为一种新型高效传热元件，自问世以来便备受瞩目。它结构简单，摒弃了传统热管复杂的毛细芯结构，降低了制造难度和成本；同时无运动部件，减少了机械磨损和故障发生的可能性，提高了系统的可靠性和稳定性。其传热效率高，能够在较小的温差下实现大量热量的快速传递，且可适应复杂的空间布局，能灵活地应用于各种特殊环境和设备中。例如在航空航天领域，脉动热管可用于飞行器电子设备的散热，保障设备在极端条件下的稳定运行；在太阳能集热器中，能有效提升集热效率，促进太阳能的高效利用；在工业余热回收系统里，可实现废热的回收再利用，降低能源消耗。

然而，在实际应用中，脉动热管的传热极限是一个至关重要却尚未被完全明晰的关键问题。传热极限直接决定了脉动热管在特定工况下能够传递的最大热量，若超过这一极限，热管的传热性能将急剧恶化，甚至可能导致设备损坏。深入研究脉动热管的传热极限，精准掌握其在不同条件下的传热特性，对于优化脉动热管的设计具有不可或缺的指导意义。通过合理调整结构参数和运行工况，可以使脉动热管在接近其传热极限的情况下仍能保持高效稳定的传热性能，从而提高设备的整体性能和能源利用效率。同时，这也有助于拓展脉动热管的应用领域，使其能够在更广泛的工况和环境中发挥作用，为解决现代科技发展中的传热难题提供有力的技术支持。

1.2国内外研究现状

脉动热管的研究起始于20世纪90年代，日本学者Akachi率先提出了脉动热管的概念，并开展了开创性的实验研究。此后，脉动热管因其独特的优势吸引了全球众多学者的关注，在传热性能和启动特性等方面取得了一系列丰硕的研究成果。

在国外，众多学者采用实验与数值模拟相结合的方法深入探究脉动热管的性能。Cotter对脉动热管内的汽液两相流动机理展开深入研究，明确指出气液塞的脉动流动是实现高效传热的核心机制。Mochizuki等学者通过实验发现，脉动热管的传热性能与加热功率、充液率等因素紧密相关。当加热功率增加时，传热性能显著提升，这是因为更多的热量输入促使气液塞的脉动更加剧烈，加快了热量传递速度；但过高的充液率会导致传热性能下降，这是由于过多的液体占据了管道空间，阻碍了气液塞的正常脉动和热量传递。Khandekar等学者运用数值模拟的方法，研究了不同管径和管长对脉动热管传热性能的影响，结果表明管径和管长的变化会改变气液塞的流动特性，进而对传热性能产生显著影响。较小的管径会增强毛细作用，使气液塞的脉动更加频繁，但同时也会增加流动阻力；而管长的增加则会延长热量传递的路径，可能导致热量在传递过程中的损失增加。

国内学者同样在该领域进行了大量深入且富有成效的研究工作。北京交通大学的研究团队针对紫铜环路型和非环路型脉动热管在水冷条件下的运行与传热状况展开研究，全面且详细地分析了结构参数和运行参数对脉动热管传热性能的影响。实验结果表明，在正常脉动工作范围内，充液率越小，热阻越小，这是因为较少的液体使得气液塞的运动更加自由，热量传递更加顺畅；以蒸馏水、无水乙醇、丙酮为工质进行实验时，发现丙酮的热阻最小，启动时间最短，这是由于丙酮具有较低的沸点和汽化潜热，能够更快地实现气液相变，从而提高传热效率；在所有工况下，垂直底加热方式下的热阻最低，这是因为重力作用有助于液体回流，增强了热管的传热性能；此外，闭合回路有利于脉动热管循环流动的形成，使得传热性能较非闭合回路更为优越，这是因为闭合回路能够提供更稳定的流动路径，促进气液循环。哈尔滨商业大学的池日光等人针对电动汽车锂离子电池发热的问题，提出了上部加热/底部冷却型L形脉动热管。研究发现在供热量为10-30W，冷却水温度为20-30℃，甲醇充液率为7.1%-21.2%条件下，随着充液率的增加，该脉动热管的启动温度呈增大的趋势，而热阻呈先减小后增大的趋势，这是因为在充液率较低时，增加液体量有助于增强传热，但当充液率过高时，会阻碍气液塞的脉动，从而导致热阻增大；并且随着加热量的增加，启动温度、启动时间和热阻均呈减小的趋势，这是因为更多的热量输入加快了气液塞的脉动，提高了传热效率。

尽管国内外学者在脉动热管的传热性能和启动特性研究方面已经取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处。目前的研究大多聚焦于单一因素对脉动热管