脉动热管的启动和运行性能及其可视化研究

论文摘要

本文对脉动热管进行了可视化实验和热性能实验,通过观察和分析脉动热管启动和稳定运行阶段脉动热管内的气液塞行为和流动现象,结合热性能实验数据,分析了脉动热管启动和稳定运行阶段的热性能。在启动阶段,在低加热功率工况可能发生流型的突变过程。启动阶段脉动热管内的气泡和液塞的聚合、断裂以及液态工质的回流现象,这些气液塞的行为有利于管内气液塞重新分布调整和脉动热管的启动,液态工质的回流对稳定运行阶段功率变化时的气液分布调整和稳定运行也有重要意义;实验还观察到了脉动热管内工质流向传递到整个回路形成稳定单向循环流动的过程。通过引入参数最高启动温度,结合参数最小启动功率和启动时间,综合分析了脉动热管启动性能,分析发现,低充液率和适中充液率的脉动热管体现出了更好的启动性能,而高充液率下的脉动热管相对较难启动。管内启动方式会随加热功率的升高由温度突变型改变到温度平稳过渡型,最高启动温度会在启动方式发生改变后的一定功率范围内降低,但随着加热功率的继续升高,脉动热管启动温度也可能会随之升高,结合加热功率对启动时间的影响可知,脉动热管在加热功率适中和较高时可以保证有较好的启动性能,但在加热功率继续升高时,可能出现启动温度较高的现象。稳定运行阶段脉动热管内工质存在不同流型,包括泡状流、塞状流、混合流和环状流。在加热功率改变时或高加热功率的条件下,脉动热管内工质会出现单向循环流动方向改变的情况。脉动热管相邻管分别为工质的上升管和下降管,上升管中气态工质较多,流速较快,温度也相对较高。低充液率的脉动热管的适应性较低,充液率较高时,脉动热管能适应更广的功率范围,但在一定的加热功率范围内可能出现运行不稳定的现象。脉动热管冷却段的温度脉动振幅远大于加热段,这可能是加热方式、冷却水温度等因素造成的。冷却水温度的适当提高可以使运行更加稳定,提高脉动热管的传热性能,但可能使脉动热管更难启动和提高脉动热管的工作温度。相比于丙酮,汽化潜热更大的蒸馏水在高加热功率的条件下,体现出了更加稳定的性能。本文还通过可视化实验现象和实验数据,结合已有的理论模型,对高加热功率下的脉动热管性能进行了分析,并提出了理论模型的局限性和改进的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 脉动热管简介
• 1.2.1 脉动热管的基本原理和分类
• 1.2.2 脉动热管的特点
• 1.2.3 脉动热管的应用
• 1.3 脉动热管的研究现状
• 1.3.1 脉动热管的理论研究现状
• 1.3.2 脉动热管的实验研究现状
• 1.4 本文的研究方法和目标
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 研究目标
• 第二章 脉动热管实验系统
• 2.1 脉动热管实验装置
• 2.1.1 脉动热管热性能实验系统
• 2.1.2 脉动热管可视化实验系统
• 2.2 实验工况的选择
• 2.3 实验步骤
• 第三章 脉动热管的启动特性
• 3.1 脉动热管启动现象
• 3.1.1 能量积累阶段
• 3.1.2 过渡阶段
• 3.1.3 启动阶段的气液塞行为
• 3.1.4 单向循环流动的形成
• 3.2 启动性能分析
• 3.2.1 充液率
• 3.2.2 倾斜角度
• 3.2.3 加热功率
• 3.2.4 工质
• 3.3 本章小结
• 第四章 脉动热管的稳定运行特性
• 4.1 稳定单向循环流动
• 4.1.1 主要流型
• 4.1.2 单向循环流动流向的改变
• 4.1.3 相邻管路的气液塞行为
• 4.1.4 相邻管路的温度特性
• 4.2 稳定运行阶段的温度特性分析
• 4.2.1 充液率对温度脉动的影响
• 4.2.2 脉动热管不同部位的温度脉动
• 4.2.3 工质和加热功率对脉动热管温度脉动的影响
• 4.3 高加热功率下脉动热管热性能和对理论模型的讨论
• 4.3.1 高加热功率下脉动热管可视化现象
• 4.3.2 物理和数学模型及对其的讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢