小型热虹吸管脉动流动传热特性的可视化实验研究

禹法文 刘向东 张程宾

(1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)(2扬州大学水利与能源动力工程学院, 扬州 225127)

小型热虹吸管脉动流动传热特性的可视化实验研究

禹法文1刘向东2张程宾1

(1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)(2扬州大学水利与能源动力工程学院, 扬州 225127)

采用高速显微成像系统对小型热虹吸管中气液两相流型演化进行了可视化实验研究,并对其脉动流动传热特性进行了分析讨论．研究结果表明,在两端压差和重力的耦合作用下,液塞的随机形成和沿槽道方向的脉动是脉动流动的典型特征．塞状流和环状流是小型热虹吸管脉动情况下的主要流型,液塞的脉动速度约为-1.5 ～1.5 m/s．对于脉动流工况,在启动过程中管壁导热和气液两相的膜态蒸发、膜态冷凝是小型热虹吸管的主要传热方式,该过程中热虹吸管的壁面温度持续升高,未出现温度波动;脉动启动后,小型热虹吸管内出现了液塞的随机形成和脉动运动交替冲刷壁面现象,此过程中小型热虹吸管主要靠对流蒸发、冷凝实现热量传递,且各段壁面温度皆表现出脉动特性．

热虹吸管;两相流动;传热;可视化

Abstract: The gas-liquid two-phase flow evolutions in a miniaturized two-phase thermosyphon were experimentally investigated by a high-speed microscopic visualization system. And the performances of oscillation flow and heat transfer in a miniaturized two-phase thermosyphon were analyzed. The results indicate that, the random formation and the oscillation of the liquid plugs are the typical features of the oscillation state under the coupling effects of the pressure difference and the gravity. The plug flow and the annular flow are the typical flow patterns of the miniaturized two-phase thermosyphon in oscillation state, and the oscillation velocity of the liquid plug is from -1.5 to 1.5 m/s. The heat transfer regimes are the film evaporation and the condensation combined with thermal conduction of the wall in the oscillation state at start-up stage of the miniaturized two-phase thermosyphon, in which the wall temperature rises continuously without fluctuation. After the start-up stage, accompanied with the random formation and oscillation of the liquid plugs, the temperature oscillations are observed at the wall temperatures of evaporator, adiabatic and condenser sections, and the heat transfer regime is the forced evaporation and the condensation in oscillation state.

Keywords: two-phase thermosyphon; two-phase flow; heat transfer; visualization

高热流电子元器件散热技术是微电子领域面临的重要难题[1-2]．在受限空间结构中,迫切需要发展小型化、无泵驱动的新型高效热控器件．尽管微热管技术在一定程度上满足了电子器件体积微型化和热流密度持续增大的需求[3-4],但太小的通道尺寸和较高的加工成本制约了微热管在高新技术领域的广泛应用．小型热虹吸管优良的传热性能很好地满足了有限空间内热控设备小型化、温度均匀性及无泵驱动的需求[5]．

受热控对象工作环境的限制,很多工况下热管要在倾斜状态下工作．随着热管工作倾角的变化,重力对液相由冷凝段向蒸发段回流辅助作用的改变会对热管的传热性能产生重要影响．Moon等[6]对三角形截面微细槽道热管传热性能的研究发现,受重力对液相回流的影响,蒸发端在热管下部的传热极限大于蒸发端在上部的传热极限．Cao等[7]实验研究了宽度分别为 0.1和0.12 mm,深为0.25 mm的2个铜-水热管的传热能力．研究表明,蒸发端在下部垂直放置的热管等温性优于水平放置的情况,垂直放置的热管较水平放置有更大的传热能力．

随着热管尺寸的减小,尺度效应对热虹吸管的两相流型演化和流动不稳定性有着重要影响[8-9]．可视化实验已成为分析热虹吸管流型演化机理和尺度效应的优选手段．近年来,尽管对靠毛细力驱动的微热管[10]和靠重力驱动的常规两相热管[11]的流型演化方面已开展了大量可视化实验研究,但小型热虹吸管热动力学行为的可视化实验研究还较少．Chen等[12]的研究表明,在重力、表面张力和惯性力耦合作用下,小型热虹吸管内出现了以气液两相塞状流动为典型特征的脉动流．目前,小型热虹吸管的流型及传热特性可视化实验研究的数据还很缺乏,尤其是对垂直状态小型热虹吸管脉动流工作模式及其机理的认识还不够．

为深入理解小型热虹吸管脉动状态的流型演变和传热特性,本文借助显微成像系统对脉动流状态的气液两相分布进行了可视化实验研究,分析讨论了脉动流状态的气液两相流型演化机理和传热特性,进一步揭示了小型热虹吸管气液两相脉动流动的传热机理．

1 实验装置

图1为小型热虹吸管气液两相流动与传热可视化实验系统示意图．该系统由小型热虹吸管、电加热装置、冷却装置、动态数据采集装置及视频拍摄装置组成．在一块铝制基板上刻出截面为正方形(边长为1 mm)、轴向长度为67 mm的平行槽道,并在上方压覆一块6 mm厚度的透明钢化玻璃板制成小型热虹吸管．实验工质选用乙醇．实验过程中,小型热虹吸管的蒸发段在下端,蒸发段采用壁面贴附电加热膜来模拟外部热源加热,不同加热功率通过调节电加热膜的输入电压获得．采用恒温水浴提供的20 ℃恒温水从热虹吸管基板背面对冷凝段进行冷却．在蒸发段、绝热段、冷凝段分别布置了3个测温点,采用K型热电偶(OMEGA, 测温探头尺寸0.1 mm, 测温精度 ±1.1 ℃)实时测量,并用安捷伦数据采集仪(34970A,Agilent)记录热虹吸管的壁面温度,热电偶的布置见图1．小槽道内的气液两相分布信息采用Photron Fastcam SA4型高速摄像仪记录,本实验中高速摄像仪的拍摄频率设为500帧/s,像素分辨率为1 024×1 024像素．

图1 实验系统示意图(单位:mm)

为减少实验过程中实验段的热量损失,整个实验段除可视化观测面外均通过包裹保温棉进行绝热保温．实验过程中,实验段向环境散热的热损失采用Churchill 等[13]提出的经验公式进行估算,经计算本实验中不同加热功率实验段向环境散热的热损失均小于3%．

2 两相流型及传热特性

2.1 两相流型

基于上述实验装置,采用高速显微成像系统对小型热虹吸管工作过程中的气液两相流型演化进行了可视化实验研究．实验观测表明,随着热负荷的增大,小型热虹吸管内的工质先后经历了池状流、脉动流和环状流．在低热负荷、垂直状态下小型热虹吸管内除少部分液相工质在表面张力作用下分布在槽道的边角区域外,其他大部分工质在重力作用下分布在热虹吸管的底部形成池状流,如图2(a)所示．在较高热负荷情况下,小槽道内液相工质由低热负荷的池状态转变为脉动状态(见图2(b))．该情况下,两相界面的蒸发量、冷凝量增大,蒸发段和冷凝段的蒸气压力差成为液塞形成的推动力,液塞在两端蒸汽压力差和重力的耦合作用下呈现出两相的快速脉动．塞状流是脉动流情况下的典型流型．随着热负荷的增大,毛细管内的液塞消失,小型两相热管由两相的脉动状态转化为环状流状态,见图2(c),此时蒸汽充满槽道的中心区域,液相在表面张力和重力作用下分布在槽道的尖角处,槽道壁面也被薄的液层覆盖．环状流状态是高热负荷工况小型热虹吸管的典型状态．

(a) 池状流

(c) 环状流

2.2 脉动启动过程分析

在热负荷Q=33.2 W工况下,小型热虹吸管内气液两相工质的运动变化过程见图3．在对蒸发段施加一定的热负荷后,蒸发段气液界面液相的蒸发和在冷凝段气液界面饱和气相的冷凝使得蒸发段和冷凝段存在一定的蒸汽压差．当工质温度达到相应压力的沸点时,蒸发段液相工质的蒸发量迅速增加,此时蒸发段液相在两端压力差作用下由静止状态向冷凝段加速运动,伴随着液塞运动过程中气液两相的重新分配和蒸发段气液界面的快速蒸发,运动液塞的长度逐渐缩短(见图3(a))．

(a) 两相流型随时间的变化

(b) 液塞速度随时间的变化

在绝热段,较大流速的蒸汽冲破较短长度的液塞,造成液塞的消失,蒸发段蒸发产生的气相沿槽道的中心区域向冷凝段快速运动,同时冷凝段形成的冷凝液相在重力和表面张力作用下沿槽道的边角区域由冷凝端回流到热虹吸管下部的蒸发端,覆盖在热虹吸管槽道表面的液膜厚度逐渐增厚．当蒸发段下部的液膜厚度与槽道截面尺度相当时,在蒸发段下部形成长度较短的新液塞．新形成液塞在两端蒸汽压差作用下由蒸发段向冷凝段运动,在液塞上升过程中由于液塞对其上部冷凝液相的收集作用，液塞长度逐渐变长．在液塞由蒸发段向冷凝段运动过程中,冷凝段气相被压缩，冷凝段的气相压力增大,蒸发段气相压力逐渐减小,同时液塞长度增大导致的重力增加也使得液塞向上运动的速度逐渐减小，直到速度减小为零．随后液塞又在上下两端压力差和重力作用下由冷凝段向蒸发段加速运动．小型热虹吸管内液塞在蒸发端和冷凝端之间的快速往复运动形成了两相的快速脉动．图3(b)给出了脉动流启动过程中液塞速度的变化,由图可知,液塞由静止状态从蒸发段向冷凝段运动过程中速度逐渐增大(t1-t4段),液塞在向上运动过程中长度变短并被一定速度的气流冲破后导致液塞消失(t4-t5),新液塞形成后液塞在压力差和重力的耦合作用下在蒸发段和冷凝段之间来回运动形成两相的脉动(t5-t14)．小型热虹吸管内气液两相脉动过程的实质是在两端压力差和重力耦合作用下液塞的随机形成和脉动．图3(b)表明,脉动状态下液塞的脉动速度出现不规律波动,液塞脉动速度约在-1.5～1.5 m/s之间．

2.3 脉动流型及界面演化过程分析

在脉动流工况下,小型热虹吸管壁面不断被快速往复运动的液塞冲刷．伴随着两相界面复杂的蒸发、冷凝过程,在液塞冲刷壁面过程中覆盖在热虹吸管壁面的液膜重新分布,该过程中液塞长度也不断变化．较高热负荷情况下,蒸发段气相生成量较大,热虹吸管内气相体积分数较高,蒸发段液膜增厚形成的液塞易被足够大流速的气相冲破导致液塞消失,此时较高流速的气相充满了蒸发段和绝热段槽道的中间区域,液相在表面张力作用下分布在矩形槽道的边角区域．塞状流和环状流是小型热虹吸管脉动状态的主要流型．脉动流工况下,随机形成的液塞在蒸汽压差和重力作用下沿热虹吸管槽道方向在蒸发段和冷凝段之间来回运动．

小型热虹吸管达到准稳定工作状态时,冷凝段未及时回流到蒸发段的部分冷凝液在冷凝段形成了一定长度的液塞(见图4(a))．蒸汽占据了槽道的中心区域,饱和气相在冷凝段冷凝形成的冷凝液相在表面张力和重力作用下沿槽道的边角区域回流到蒸发段．受热虹吸管轴向蒸汽压力差变化的影响,冷凝段液塞呈现小幅度的上下脉动．冷凝液相由冷凝段向蒸发段的回流造成了蒸发段上部液膜厚度的不断增大,因此槽道截面环向液膜逐渐增厚并在表面张力作用下在蒸发段下端合并为液柱，并形成新的液塞(见图4(c))．新形成的液塞在上下端蒸汽压力差作用下快速向冷凝端运动．在液塞由蒸发段向冷凝段运动过程中,液塞常被足够大流速的蒸汽冲破而造成蒸发段上升液塞的消失(见图4(b)),此时热虹吸管呈现环状流．

2.4 温度脉动分析

壁面温度随时间的变化特性是小型热虹吸管传热特性的反映,脉动流状态下,不同温度的气、液两相对壁面的间歇冲刷作用导致了小型热虹吸管壁面温度的变化．图5为脉动流情况下小型热虹吸管蒸发段、绝热段和冷凝段壁面温度随时间的变化．

(a) 冷凝段

(b) 绝热段

(c) 蒸发段

图4两相流型演化过程(工作倾角θ=90°,乙醇,φ=20.5%,Q=33.2W)

图5 小型热虹吸管壁面温度随时间变化(θ=90°,乙醇,φ=20.5%,Q=33.2 W)

脉动流启动阶段,热虹吸管壁面过热度较小,壁面过热度未达到沸腾起始条件，两相脉动未启动,工质的相变传热能力较弱,热虹吸管通过壁面轴向导热和气液两相界面的膜态蒸发、冷凝实现热质交换,该过程中热虹吸管的壁面温度持续升高(见图5)．

当工质温度达到相应压力的沸点时蒸发段液相工质的蒸发量迅速增加,蒸发段液塞在其两端蒸汽压差作用下由蒸发段快速向冷凝段运动,伴随着液塞向上运动过程中气液两相的重新分配和气液界面的蒸发作用液塞变短并消失,该过程中绝热段和冷凝段壁面在蒸发段液塞的冲刷作用下温度出现突升,蒸发段气液界面处液相的快速蒸发也造成了蒸发段壁面温度的骤降(见图5)．回流到蒸发段的液相在表面张力作用下在蒸发段下端形成新液塞,并在重力和蒸汽压差作用下在热虹吸管的蒸发段和冷凝段之间来回脉动,此时小型热虹吸管达到准稳定脉动状态．在蒸汽和液塞对小型热虹吸管壁面的交替冲刷作用下,小型热虹吸管蒸发段、绝热段和冷凝段的壁面温度皆表现出脉动特性．

3 结论

1) 受热虹吸管尺度小型化和工作过程中不平衡蒸汽压力差的影响,除常规尺度重力热管具有的池状流和环状流外,小型热虹吸管工作中还出现了以液塞随机脉动为典型特征的脉动流．

2) 热负荷对小型热虹吸管的两相流型具有重要影响．在较高热负荷作用下,工质温度达到相应压力的沸点时工质蒸发量急剧增加导致蒸发段压力急剧增大是小型热虹吸管两相脉动启动的主要驱动力．在两端压差和重力耦合作用下,以液塞的随机形成和脉动为典型特征的脉动流状态是热虹吸管尺度小型化过程中独特的气液两相工质状态．小型热虹吸管脉动情况下主要存在塞状流和环状流2种主要流型,塞状流流型中液塞的脉动速度约为-1.5 ～1.5 m/s．

3) 在脉动流启动阶段,小型热虹吸管主要通过管壁导热和气液两相界面的膜态蒸发、冷凝实现热量传递．而脉动流启动后,在液塞的随机形成和脉动过程中,热虹吸管主要靠对流蒸发、冷凝相变传热实现热量传递．脉动流启动阶段热虹吸管壁面温度持续升高,未出现温度波动．在液塞和气塞冲刷作用下,脉动启动后热虹吸管各段壁面温度皆表现出脉动特性．

References)

[1] Faghri A. Heat pipes: Review, opportunities and challenges [J].FrontiersinHeatPipes, 2014,5(1): 1-48. DOI: 10.5098/fhp.5.1.

[2] Franco A, Filippeschi S. Closed loop two-phase thermosyphon of small dimensions: A review of the experimental results [J].MicrogravityScienceandTechnology, 2012,24(3): 165-179. DOI: 10.1007/s12217-011-9281-6.

[3] Hung Y M, Seng Q. Effects of geometric design on thermal performance of star-groove micro-heat pipes [J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 2011,54(5): 1198-1209. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.09.070.

[4] Yang K S, Lin C C, Shyu J C, et al. Performance and two-phase flow pattern for micro flat heat pipes [J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 2014,77: 1115-1123. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.06.056.

[5] Riffat S B, Zhao X, Doherty P S. Analytical and numerical simulation of the thermal performance of ‘mini’ gravitational and ‘micro’ gravitational heat pipes [J].AppliedThermalEngineering, 2002,22(9): 1047-1068. DOI: 10.1016/S1359-4311(02)00029-7.

[6] Moon S H, Hwang G, Ko S C, et al. Experimental study on the thermal performance of micro-heat pipe with cross-section of polygon [J].MicroelectronicsReliability, 2004,44(2): 315-321. DOI: 10.1016/S0026-2714(03)00160-4.

[7] Cao Y, Gao M, Beam J E, et al. Experiments and analyses of flat miniature heat pipes [J].JournalofThermophysicsandHeatTransfer, 1997,11(2): 158-164. DOI: 10.2514/2.6247.

[8] Groll M, Rosler S. Operation principles and performance of heat pipes and closed two-phase thermosyphons [J].JournalofNon-EquilibriumThermodynamics, 1992,17(2): 91-151. DOI: 10.1515/jnet.1992.17.2.91.

[9] Khodabandeh R, Furberg R. Instability, heat transfer and flow regime in a two-phase flow thermosyphon loop at different diameter evaporator channel [J].AppliedThermalEngineering, 2010,30(10): 1107-1114. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2010.01.024.

[10] Wong S C, Chen C W. Visualization experiments for groove-wicked flat-plate heat pipes with various working fluids and powder-groove evaporator [J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 2013,66(6): 396-403. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.07.012.

[11] 柏立战, 林贵平, 张红星. 重力辅助环路热管稳态运行特性的实验研究 [J]. 航空学报, 2008, 29(5): 1112-1117. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6893.2008.05.004. Bai Lizhan, Lin Guiping, Zhang Hongxing. Experimental study on steady-state operating characteristics of gravity-assisted loop heat pipes [J].ActaAeronauticaetAstronauticaSinica, 2008,29(5): 1112-1117. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6893.2008.05.004. (in Chinese)

[12] Chen Y, Yu F, Zhang C, et al. Experimental study on thermo-hydrodynamic behaviors in miniaturized two-phase thermosyphons [J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 2016,100: 550-558. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.04.079.

[13] Churchill S W, Chu H H S. Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate [J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 1975,18: 1323-1329. DOI: org/10.1016/0017-9310(75)90222-7.

Visualizationexperimentalstudyonthermalperformancesofoscillationstateinminiaturizedtwo-phasethermosyphons

Yu Fawen1Liu Xiangdong2Zhang Chengbin1

(1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

TK124

A

1001-0505(2017)05-0945-05

2017-04-08.

禹法文(1981—),男,博士生; 张程宾(联系人),男,博士,副教授, cbzhang@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51406175) 、江苏省自然科学基金资助项目(BK20140488,BK20170082).

禹法文,刘向东,张程宾.小型热虹吸管脉动流动传热特性的可视化实验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(5):945-949.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.017.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.017