高性能环路热管冷凝器内汽液两相流不稳定性研究及传热强化

Loop heat pipe (LHP) is one of the most promising solutions for high-end electronics cooling, e.g., avonic devices. The LHPs with parallel condensers have once been used for thermal control of micro-satellites and electro-optical tracking system in fighter aircrafts. However, it is rare about the research of LHPs with parallel condensers,especially considering the possible problem, such as depriming and dryout. Based on the unqiue flat plate evaportor design and the COMPLETE parallel condensers structure proposed by the present principle investigator, and combining theoretical analysis and experimental methods, the two-phase flow instability and the heat transfer enhancement will be investigated in this project. The main research contents include:(1)with visualization technique, the two-phase flow will be studied comparatively for a LHP with single condenser and a LHP with parallel condensers, and the inherent instabilities inside the LHPs will be examined;(2)in gravity field, the thermal performance of the LHP with parallel condensers will be investigated for different tilt angles and under a totating situation respectively; (3)a systematical theoretical analysis will be conducted and a mathematical model will be established for the LHP with parallel condensers.

环路热管是目前非常具有前途的热管理技术，在解决高尖端电子设备的散热需求中具有非常重要的应用和研究价值。并联冷凝器可以提升环路热管性能，并在微型卫星热控及先进战斗机光电跟踪器冷却中都曾负担起重要作用。针对带有并联冷凝器结构的环路热管研究非常稀少，并且环路热管冷凝器的复杂结构可引起流动干扰、过早烧干等问题。结合项目申请人发展的一种新型环路热管蒸发器结构以及完全并联冷凝器设计概念，本课题拟运用理论分析和实验研究相结合的方法，针对带有并联冷凝器的环路热管系统，开展其内部汽液两相流不稳定性和传热强化的研究。研究的主要内容为：（1）对带有单冷凝器和并联冷凝器的环路热管内部汽液两相流进行可视化对比研究及相关不稳定性分析；（2）在重力作用下，对带有并联冷凝器的环路热管在不同倾角下及在旋转摆动中的运行特性进行详细实验研究；（3）对带有并联冷凝器的环路热管的运行机制进行理论分析及建模。

结合项目申请人提出的一种新型环路热管蒸发器结构以及完全并联冷凝器设计概念，本课题运用理论分析和实验研究相结合的方法，针对带有并联冷凝器的平板环路热管系统，开展其内部汽液两相流不稳定性和传热强化的研究。主要研究内容及重要结论如下：（a）对带有单一冷凝器的环路热管内部汽液两相流进行了可视化实验研究。环路热管启动阶段的时间长短随着热负荷的增加而减少，并且流动模式受到热负荷的影响。蒸发器中存在泡核沸腾和薄液膜蒸发传热机制，毛细芯中的薄液膜蒸发逐渐成为主导，在较大热负荷下，蒸发器中的热量仅通过薄液膜蒸发传热转移。同时，在不同热负荷下稳定运行时，在冷凝器中观察到不同类型两相流动状态，例如气泡流，塞状流，混合流，波状流，环状雾和雾流。另外，在蒸发器和冷凝器中两相流动特征会影响到环路热管的总体热性能表征；（b）在重力作用下，对带有单一冷凝器及并联冷凝器的环路热管在不同倾角下的运行特性进行详细实验研究及比较。结果发现，随着热负荷的增加，两种类型的环路热管启动时间均减少，双并联冷凝器的环路热管温度振荡小于单冷凝器环路热管。双并联冷凝器的启动行为并不完全相同，两个冷凝器按顺序启动，其中一个优先循环；(c)对带有并联冷凝器的环路热管的运行机制进行理论分析及建模。在相对较低的热负荷下，双并联冷凝器的效率低于单冷凝器的效率。在高热负荷下并联冷凝器一起工作时，并联冷凝器的效率高于单冷凝器的效率；(d)找出造成环路热管不稳定运行的主要影响因素及给出提高稳定运行的方法。通过本研究发现，带有毛细尾芯的环路热管表现出较好的传热性能以及更高的运行稳定性，更重要的是，由此带来的另一个益处是重力对环路热管的影响可以得到削弱。在低热负荷下，无论测试方向如何，带有毛细尾芯的环路热管都实现了有效启动。相反，不带有毛细尾芯的环路热管表现出启动特性的不稳定性，特别是对于逆重力场的条件下，有时无法启动。最后，本研究所设计的环路热管技术可以为低功率0-30W移动电子设备（手机、笔记本电脑）、中等功率30-300W电子设备（电脑、服务器）以及大功率300-2000W电力电子设备（电源、晶闸管）等设备提供可靠散热。