脉动热管流型的电容层析成像识别及换热特性研究

论文摘要

脉动热管(PHP)是热管家族中最新也是最独特的一种热管，被视为目前解决微小空间高热流密度的散热方案中一种很有希望和前途的传热元件。脉动热管属于微细通道内的汽液两相流系统，运行特性十分复杂，其理论和实验研究都还处于初级阶段。电容层析成像(ECT)是目前广泛研究的一种两相流过程层析成像技术，能够呈现观测截面上的物质分布图像，是在线流型识别、多相流参数检测的有力工具，提供了实时、非干扰和全区域测量的多相流研究新方法。但在微小尺度条件下的应用还很少见。本文采用电容层析成像方法，实现脉动热管内工质流动状况的可视化检测，并对液膜厚度等参数进行测量。在此基础上，深入研究脉动热管的换热特性及其与流型的关系。探索电容层析成像在微尺度下的应用特点、传感器特性、数据采集系统，以及图像再建的理论和方法，推进ECT测量技术向微型化发展，提高其测量精度和空间分辨率。同时，对脉动热管的结构改进做了探索性研究，设计出几种不同结构的脉动热管，以实现工质在管内的单向循环流动，提高脉动热管的传热性能。并将纳米流体作为工质引入到脉动热管领域，对纳米流体强化换热的作用进行了分析研究。本文的具体工作主要包括三个实验和两个模型的建立。实验方面包括可视化脉动热管实验、重力热管ECT测量实验和脉动热管ECT测量实验。实验结果表明：1)新研制的微型ECT传感器不仅可以满足微尺度下两相流流型识别的要求，而且还能够测量微米级的液膜厚度，突破了ECT空间分辨率的局限；2)脉动热管内工质流动情况复杂，不同工作条件下会出现塞状流、混合流和环状流等不同流型，具有流型自适应传热量变化的特性；3)改变脉动热管流道的对称性和均衡性，合理匹配流动阻力，有利于实现工质的稳定单向循环流动：4)脉动热管中采用适当体积份额的纳米流体作为工质，能够强化换热。理论方面包括脉动热管分相流动模型和管内凝结换热修正模型：1)在脉动热管可视化研究及ECT测量研究的基础上，将复杂的脉动热管简化成一个单环路闭合系统，针对稳定循环流动的情况，对系统中的汽液两相流建立分相流动模型，列出质量、动量和能量守恒控制方程。计算结果表明，分相流动模型能够预测单环路闭合系统中两相流特性参数的变化规律，通过流型图可以确定蒸发段、绝热段和冷凝段流型的变化，预测结果和实验现象相符；2)本文推导出综合考虑蒸汽剪切力和界面波的管内凝结换热修正模型，并与Nusselt理论分析解进行了分析比较，液膜厚度计算结果与ECT测量结果吻合较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 脉动热管的工作原理和结构特点
• 1.2 脉动热管的研究现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 实验研究
• 1.3 脉动热管的应用
• 1.4 电容层析成像技术的发展
• 1.5 本文的研究目的与主要内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 主要内容
• 第二章 ECT技术及其在气液两相流参数检测中的应用
• 2.1 电容层析成像技术
• 2.1.1 ECT系统构成和原理
• 2.1.2 ECT测量电路
• 2.1.3 ECT图像重建算法
• 2.1.4 ECT图像重建准则
• 2.2 基于电容层析成像技术的气液两相流参数测量
• 2.2.1 流型识别
• 2.2.2 空隙率的测量
• 2.2.3 问题及展望
• 2.3 本章小结
• 第三章 脉动热管的可视化实验研究及流型流向分析
• 3.1 可视化脉动热管实验
• 3.1.1 实验目的
• 3.1.2 实验装置
• 3.1.3 实验过程
• 3.2 实验结果及分析
• 3.2.1 流型观察与分析
• 3.2.2 流向观察和分析及结构优化
• 3.2.3 运行特性与传热性能分析
• 3.3 结构改进的理论分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 ECT在重力热管流型识别及薄液膜厚度测量中的应用
• 4.1 重力热管的工作原理
• 4.2 重力热管的凝结换热研究
• 4.3 重力热管 ECT测量实验
• 4.3.1 实验目的
• 4.3.2 实验装置
• 4.3.3 实验过程
• 4.4 流型的可视化监测
• 4.4.1 流型观察与分析
• 4.4.2 ECT在线监测结果
• 4.5 液膜厚度测量
• 4.5.1 液膜厚度测量研究现状
• 4.5.2 液膜厚度 ECT测量方法
• 4.5.3 液膜厚度 ECT测量结果
• 4.5.4 测量结果与计算结果的比较及分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 脉动热管流型的电容层析成像识别及换热特性研究
• 5.1 脉动热管 ECT测量实验
• 5.1.1 实验目的
• 5.1.2 实验装置
• 5.1.3 实验过程
• 5.2 微型 ECT传感器
• 5.3 流型的可视化监测
• 5.4 液膜厚度测量
• 5.5 运行特性与传热性能分析
• 5.6 纳米流体在脉动热管中的应用
• 5.7 本章小结
• 第六章 脉动热管数学建模及理论分析
• 6.1 脉动热管建模分析
• 6.1.1 单环路脉动热管
• 6.1.2 模型简化及假设
• 6.2 分相流动模型
• 6.2.1 质量守恒方程
• 6.2.2 动量守恒方程
• 6.2.3 能量守恒方程
• 6.2.4 空隙率的计算
• 6.2.5 冷凝段传热分析
• 6.2.6 蒸发段传热分析
• 6.3 计算实例与结果讨论
• 6.3.1 特性参数变化
• 6.3.2 流型分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 主要符号表
• 参考文献
• 博士研究生在读期间参加的科研课题
• 博士研究生在读期间发表的论文与专利
• 致谢