GO-纳米流体在振荡热管中的气−液脉动现象及其传热特征

汪维伟，赵福云，王磊，蔡阳，赵月帅，杨国彪，孙佳韵

(1.武汉大学动力与机械学院，湖北武汉，430072；2.暨南大学能源电力研究中心，广东珠海，519070；3.北京卫星环境工程研究所，北京，100094)

振荡热管(oscillating/pulsating heat pipe)是一种新型高效的传热元件，无毛细芯结构，管路加工多样，成本低廉，结构简单，仅凭借冷热端的温度梯度引起的脉动压力驱动力，就能使气−液弹进行显/潜热交替传热[1]，被广泛用于中低温太阳能集热、空调系统排风余热回收、微型电子元件散热、燃料电池冷却及旋转机械加工冷却等领域[2]。目前，研究人员从加热功率、工质种类、充液率、倾斜角度及尺寸结构等方面[3−6]探究脉动热管的热质输送性能。

SEDIGHI等[7]在多环路脉动热管的基础上，对蒸发段引入了额外的分叉结构，运用CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法探讨了气−液塞流型的形成过程及振荡强化传热情况，发现额外分叉结构显著增强了热质振荡交替的循环频率，从而提升了振荡热管的显/潜热换热性能；夏侯国伟等[8−9]设计了三角形和矩形截面的平板式振荡热管，发现2种形状的工作稳定性都较好，但三角形截面比矩形截面在运行平稳和综合传热性能方面更优；汪健生等[10]提出了一种水平蒸发与冷凝结构的新型单回路振荡热管，发现采用递增式与非对称的加热方式均能强化振荡热管的启动及稳定传热特性，且在非对称方式工作时，振荡热管的传热性能最大提升13.26%。

值得注意的是，优越的新型工质能够显著提升振荡热管的热质输送性能，目前也是最有效的强化换热方式之一[11]。陈曦等[12]以乙烷为流体工质的脉动热管，讨论了加热功率和倾斜角度对低温热管性能的影响；HU 等[13]采用高碳醇自湿润流体，研究了自湿润流体在脉动热管的强化流动传热性能，发现该新型流体的表面张力随着温度逐渐升高，能够自发地流向蒸发高温区域，显著降低振荡热管的热阻；PATEL 等[14]比较了水、甲醇、乙醇和丙酮这4种基液混合钠十二烷基硫酸盐分散水溶液对振荡热管启动性能和稳定传热能力的影响；XING 等[15]利用甲基溴化氨CTAB 表面改性剂水溶液，降低了流体的表面张力，进而削弱了重力对振荡热管的影响，发现振荡热管水平放置下，CTAB改性剂能够显著提升流体湿润性，同时，核态沸腾过程得到强化；纪玉龙等[16]借助实验探讨了Al2O3/H2O 纳米流体对振荡热管传热强化作用的影响，发现添加Al2O3颗粒后，最佳充液率有所降低，同时，提升充液率削弱了纳米流体的传热强化能力。

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是一种新的高效能量传递工质[17]，其分子结构中含有丰富的极性含氧官能团[18]，为强亲水性物质，在水中表现出优越的分散特性，形成纳米流体，近几年已广泛应用于储能系统与强化传热领域[19]。目前关于GO-纳米流体对振荡热管流动换热的影响机制鲜有研究，其纳米流体在管内离散分布且形成长短不等的气液塞，根据不同的操作条件，会出现气−液塞随机产生与湮灭现象，这就导致振荡热管运行和传热规律较复杂，为此，本文设计并搭建多回路闭式脉动热管可视化实验平台，实时观测热管运行过程中气/液两相流主要流型演变和运行状态，并进一步揭示气−液两相流演变规律和热管传热特性间的相互联系及强化传热机制。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

实验以内径为3 mm、含有4 个弯头的耐热石英玻璃脉动热管为实验对象，具体实验模型如图1所示，垂直于底部进行加热测试，把直径为2 mm的镍铬电阻丝缠绕在石英玻璃管上，蒸发段长度为70 mm，绝热段长度为50 mm，冷凝段长度为70 mm，利用智能恒温水浴锅(HX-1020 型，−20～100 ℃)冷却振荡热管，冷却水温度设定在(10.0±0.1)℃，玻璃转子流量计(LZM-6T 型)的恒定水流量设定为600 mL/min。整个振荡热管用透明隔热板包裹，减少热量在环境中散失，同时保证可视化实验能够充分展开。实验中采用直径为0.5 mm的K型热电偶(精度为±0.5 ℃)，分别置于热管的不同位置，通过温度数据采集仪(Agilent 34970A型，±0.001 ℃)记录温度，具体位置如图1所示。为了不影响测试结果的对比，实验在空调房中23 ℃的环境下进行，保证测试过程中热泄露一致。在实验过程中，图像记录摄像仪(CANON EOS70D型)采用三脚架支撑，观察透明加热段、绝热段和冷凝段内部流型随时间演变情况。

图1 脉动热管可视化实验装置Fig.1 Visualization experimental device of pulsating heat pipe

为了获取稳定的GO-纳米流体，通过高精度0.1 mg级电子天平，称取适量的南京惠衡科技公司生产的精细GO-纳米颗粒粉体，借助GO-纳米颗粒的亲水性，均匀地分散到基液中，分别制备出质量分数φ分别为0.025%，0.050%，0.075% 和0.100%的纳米流体，其中纳米颗粒的单层厚度为1 nm，片径为0.2～10.0 μm，然后经过磁力搅拌机搅拌30 min。研究中，采用的基液为工业蒸馏水，消除基液对纳米流体的影响。通过真空泵(VP-1100型)将脉动热管系统进行抽真空处理，从而降低工质的饱和温度，在真空表的读数保持稳定10 min后，随即将配制好的纳米工质利用注射器注入至管内，本文统一采用最佳充液率[20]为60%±5%(即充入工质占热管体积的60%±5%)，充液结束后将注液口用钢箍完全封死。

1.2 数据处理

本文研究不同纳米颗粒质量分数对热管运行特性的影响，分析各热流密度稳定运行下脉动热管的热阻R(单位为℃/W)，其表达式为

式中：Qin为输入功率，W；Te,ave和Tc,ave分别为平均蒸发段温度和冷凝段温度，℃，

Te1，Te2，Te3和Te4分别为图1中蒸发段各位置的测量壁温，℃；Tc1，Tc2，Tc3和Tc4分别为图1中冷凝段各位置的测量壁温，℃。

另外，为了排除不同蒸发段长度及电加热丝的缠绕方式等因素的干扰，对热流密度q进行讨论，其计算式为

式中：q为单位面积截面内单位时间通过的热能，W/m2；Ae为蒸发段面积，m2；功率Qin主要通过直流稳压稳流电源(SS-L3010SP型，30V-10A)控制蒸发段两端加热丝输入电压，从而改变输入热流密度。电压U和电流I的精度分别为0.001 V 和0.001 A。

1.3 误差分析

为了获得本实验热阻测量的准确性，采用下式计算[21]，

通过比对多组实验结果，计算热阻的最大相对不确定度小于5%。

2 流型演变过程分析

实验开始后，初始热流密度设定为2 172 W/m2，待温度曲线平稳后，即10 min 内温度变化小于±0.5 ℃，随后每次提升热流密度直至5 429 W/m2，由数据采集仪获取温度。

2.1 蒸发段流型演变过程

图2所示为颗粒质量分数为0.075%条件下，不同热负荷条件下脉动热管的典型流型。由图2可见：在较小热负荷下，加热丝附近不断有小气泡出现，形成泡状流状态，几个气泡偶尔形成塞状流/半环状流；随着热负荷提升，在毛细力和表面张力共同作用下，塞状流现象逐渐产生；当热流密度达到4 343 W/m2时，气液交界面或气塞与管壁处的薄膜不断吸收热量，一旦工质处于短暂停滞状态，气泡体积迅速膨胀，大量集聚的蒸气对液塞进行剪切冲刷，在两侧壁面产生液膜，最终形成半环状/环状流型[22]；伴随着冷热端压差的增强，纳米流体朝着冷凝段迅速移动，发生上下振荡剧烈，其工质携带热量的能力得到有效提升。

图2 不同热负荷条件下脉动热管的典型流型Fig.2 Typical flow patterns of pulsating heat pipe under different heat loads

图3所示为蒸发段“停滞”过程的流动形态。由图3可见：该过程气−液流动特征主要分为2 种情况。

1)当振荡处于停滞状态时(如图3(a)所示)，蒸发段存在悬浮的GO-纳米颗粒(其液塞呈现明显暗灰色)，产生较多的核化点，小气泡在悬浮的GO纳米颗粒下，迅速增大融合；泡状流转变为环状流的速度极快，仅仅为10 ms 左右，随后上下振动，进行热量传递。

2)由图3(b)可见：当环状流保持静止状态时，在停滞的长气塞底部会出现1个气核，在加热过程中，该短气核逐渐变大，进而挤压上面的长气塞，朝着冷凝端移动，最终在较大的表面张力下，气液界面被撕碎，短气塞和长气塞融合，但融合后的气塞仍然保持原有的位置。随着GO-纳米流体浓度增大，这种“刹车停滞”状态更加明显，这主要是由于纳米流体的密度和黏性力变大，进而导致气/液塞振荡频率减弱。

图3 蒸发段“停滞”过程的流动形态Fig.3 Flow patterns of stagnation process in evaporation section

图4所示为蒸发段振荡过程的流动形态。由图4(a)可见：当蒸发段处于热不平衡状态即气−液两相流振荡过程时，气泡会在流动过程中逐渐产生，同时不断融合增大，这种流型一般会在热流密度较小的情况或者启动过程中多次出现。由图4(b)可见：由于热量的输入，位于长气塞底部的短气塞会不断膨胀增大，从而在流动过程中，长短气塞不断进行融合，其“移动”融合的速度远大于“停滞”过程中融合的速度。这种反复快速融合的过程进一步提升了整个脉动热管系统的交替振荡频率。

图4 蒸发段振荡过程的流动形态Fig.4 Flow patterns of oscillation process in evaporation section

2.2 冷凝段流型演变过程

在冷凝过程中，两相流态变化主要存在弯头前以及水平管位置处。图5所示为冷凝段流动形态。由图5(a)可见：气液塞在上升过程中，由于弯头处的压损增大，同时含有纳米颗粒的液塞与壁面之间黏性作用力增强，管内工质的流动速度逐渐缓慢，而底部短气塞的速度较快，导致长气塞和短气塞缓慢融合或挤压。与和蒸发段流态不同的是，冷凝段的气塞在融合后，气塞的长度基本不变。由图5(b)可见：气/液塞经过冷凝段水平位置会出现波浪流，产生“喉部”，蒸汽逐渐冷凝，壁面处形成不稳定液膜增厚，导致长气塞逐渐发生断裂或者破碎，从而形成“液桥”现象[23]。另外，在定向循环过程中，蒸发段与冷凝段通常以长气塞与短气塞交替的复杂现象出现。因此，冷凝段主要是以较弱的凝结相变换热与明显的气液两相流脉动对流换热共存。

图5 冷凝段流动形态Fig.5 Flow patterns of condensing section

2.3 绝热段流动过程

图6所示为绝热段流动形态。由图6可见：当长短不一的气−液塞经过绝热段时，离散的短气塞以及长气塞相互之间并没有发生融合、破裂、压缩或扩张等演变行为，同时，气/液塞长度几乎保持不变。其主要原因是绝热段与环境未进行热量交换，从而形成稳定的脉动流动，该观测结果与文献[24]中结果基本一致。

图6 绝热段流动形态Fig.6 Flow patterns of adiabatic section

3 脉动热管的传热性能分析

图7所示为脉动热管在不同颗粒质量分数下的温度曲线。由图7可见：初始启动温度保持在22 ℃(环境温度不变)，当启动功率为2 172 W/m2时，加热段的壁面温度快速升高逐渐趋于稳定；在低热流密度条件下，温度波动较小，主要是由于泡状流主导下的流态，驱动力不足以推动流体稳定振荡；随着热流密度提升，蒸汽速度明显上升，其气−液剪切应力增大，壁面处液膜逐渐增厚[25]，故冷热端温度差进一步增大，原有热平衡迅速被打破，并产生压力推动流体朝着冷凝段流动，所形成的塞状流导致明显的周期型振荡；当加热量从3 257 W/m2达到5 429 W/m2时，管内流态是以半环状/环状流为主，其中气泡的核化过程剧烈，塞状流转变为环状流的速度也较快，振荡频率明显加强，这与可视化实验现象吻合。

图7 脉动热管的蒸发段平均温度曲线Fig.7 Average temperature curves of evaporation section of pulsating heat pipe

为了更加深入比较振荡热管系统在不同颗粒质量分数下的脉动传热特性，本文分析热流密度为4 343W/m2时的绝热段温度变化。如图8所示。从图8可见：当质量分数达到0.100%时，其温度曲线呈现出振幅大而频率低的波动，这主要是由于工质中含有较多的纳米颗粒导致流体黏性阻力增强[26]，从而冷凝工质向蒸发段循环回流的贡献被削弱，气/液塞的振荡频率有所降低。观察图3和图4发现：随着纳米颗粒质量分数上升，GO-纳米流体在蒸发段处的“刹车停滞”现象也更加明显，表明其内部工质处于“准静止−大幅震荡”交替出现的状态，虽然工质处于停滞使热管壁面存在短时间的干涸现象(温度大幅上升)，但随着振荡液塞回流，壁面温度又迅速下降。

图8 热流密度为4 343 W/m2时的绝热段温度曲线Fig.8 Temperature curve of adiabatic section with heat flux of 4 343 W/m2

4 热阻对比

图9所示为振荡热管在不同纳米颗粒质量分数下，传热总热阻随热流密度的变化情况。由图9可见：低热流密度条件下，气泡数量较少，核态沸腾强度较弱，因此，热管整体热阻较高；随着热负荷提升，热管内主要形成了频率较高的气−液两相流动和强烈的相变换热过程，同时，管内主要是保持较长的环状流上下振荡，故整个热管的换热性能相比低热流量更优。进一步添加GO-纳米颗粒后，相对于去离子水，热阻明显有所降低，其中，在质量分数φ=0.075%时，脉动热管在5 429 W/m2的热阻能够有效降低到1.45 ℃/W，这主要是由于纳米流体的脉动对流换热系数显著增强，工质内表面受热表面积增大，同时，纳米颗粒提供了更多的气化核心数，气泡的受热膨胀和聚合过程更剧烈，故纳米流体能从显热和潜热2个方面实现高效交替换热。但随着质量分数达到φ=0.100%，管内气−液塞的振荡频率出现大幅下降，进而削弱了脉动热管内流体的热质循环运输能力。

为了更加客观获得GO-纳米流体质量分数对脉动热管的热性能的影响，定义热阻效率ηR为

式中：RW为去离子水条件下的热阻；RNF为相同运行条件下纳米流体的热阻。经计算，添加纳米颗粒均可有效降低振荡热管热阻，且随着加热强度持续，GO-纳米流体振荡热管的强化作用明显提升。

图10所示为不同应用条件下的脉动热管热阻降低效率。从图10可见：当纳米颗粒质量分数达到0.075%，热阻为5 429 W/m2时的脉动热管的热阻降低效率能达到25%。当持续添加纳米颗粒质量分数达到0.100%时，不但没有优化热管气−液两相流的传热与流动特性，反而使脉动热管的热性能变差，这进一步证明工质的脉动频率特性对振荡热管的热输送能力起到很重要的作用。经计算得知在高热流密度下，纳米颗粒质量分数为0.100%和0.050%时的热阻降低程度基本一致，其热阻降低效率为15%。从经济角度分析，过多的GO-纳米粉末是不合适的。

图10 不同应用条件下的脉动热管热阻降低效率Fig.10 Thermal resistance reduction efficiency of pulsating heat pipe under different application conditions

5 结论

1)随着热流密度增加，GO-纳米流体在振荡热管的主要流型由泡状转向塞状流，向环状流变化；同时，其蒸发段流型依据停滞过程和振荡过程分别进行演变，冷凝段不仅出现前后气塞融合现象，还会出现由波浪流引起的长气塞断裂过程，绝热段流型基本保持不变。

2)添加GO-纳米颗粒明显提升了振荡热管的显/潜热交替热质输送能力。本文最佳纳米颗粒质量分数为0.075%，在q=5 429 W/m2时，其最小热阻为1.45 ℃/W，相对于去离子水，其热阻降低效率达到25%。

3)当GO-纳米流体质量分数为0.100%时，在蒸发段处的“刹车停滞”现象增多，从而显著削弱了振荡频率。而在高热流密度下，纳米颗粒质量分数为0.100%和0.050%时的热阻降低效率一致，均为15%。