论文摘要
脉动热管是一种新型热管，搞清其性能的主要影响因素对于优化设计具有重要意义。在国家自然科学基金的资助下，本文针对毛细管形状效应和尺度效应进行了实验研究，并对脉动热管的液塞追赶和合并机理进行了建模分析，得到了具有研究参考价值的结果。实验方面，设计加工了具有不同截面形状和水力直径的脉动热管实验件，并建立了实验台。充液率，倾角，加热功率等因素影响的实验结果表明，对于角管，低充液率热管的热性能较高。热管内的间歇沸腾现象均对压力扰动有重要作用，提供了脉冲流动的动力。当管径一定时，正三角形截面热管的热阻值要低于正方形截面热管。当截面形状一定时，水力利直径稍大(1.5mm)的热管的热阻值低于水力直径稍小(1mm)的热管的热阻值。实验结果还表明，加热段和冷凝段的壁温波动情况反映了其内部工质的流动情况：当壁温波动稳定时，内部工质的流动也较平稳，热管传热性能较好；当壁温波动中有较多的反相半波相对应时，内部工质的流动有徘徊和停顿的现象，热管传热性能下降。建模分析方面，将环路型脉动热管简化成具有两个通路和两个液塞，对液塞的流动建立了微分方程，并进行了数值求解。计算结果给出了液塞振动并做整体移动的运动轨迹和速度的变化规律。分析结果表明，对于大管径，低充液率，高加热功率以及具有较大初始扰动的热管，液塞的运动速度更大，更有利于传热。小功率时，液塞不聚合，而功率高时液塞聚合并可能单塞运动或合并成环状流，结果定性上与实验结果符合。本文的创新性表现在：(1)对于难于加工的小水力直径角管脉动热管进行了实验研究；(2)得到了性能最佳的脉动热管实验结果，水力直径1.5mm的正三角形截面，其热阻值可低至0.03K／W，热流密度可达到55W／cm~2，加热功率超过300W；(3)对于液塞间的相互作用进行了理论分析，定性解释了液塞合并的机理。通过对实验件结构优化可得到高性能的微小型脉动热管，在电子器件散热方面具有较好的应用前景。