脉动热管在高速高精度机床旋转部件中的冷却机理和应用方法研究

Focusing on the critical requirement of thermal behaviors and cooling of rotary parts of hi-precision express machine tools, the pulsating heat pipe technology is first proposed to cope with these technical difficulties in this project. The process of gas-liquid two-phase flow and heat-mass transfer properties in consequence to complex excitation such as surface tension and the Coriolis force will be studied , via studying the operating mechanism and critical conditions ofthe pulsating heat pipe in condition of both start-up and steady rotating states. the influence of various key factors onthe the flow and heat transfer characteristics of the rotating pulsating heat pipe is effectively revealed. Moreover, the optimal design method and implement of the rotary pulsating heat pipe are established and developed which well realize the critical cooling requirement of the rotary parts in high-precision express machine tools.

本项目针对高速高精度机床旋转部件热特性和冷却需求，首次提出了将脉动热管技术应用到高速高精度机床旋转部件中。通过研究在旋转状态下脉动热管的启动与稳定工作机理及临界条件，研究在表面张力、科氏力等复杂力作用下气液两相流流动和传热传质过程，揭示各种关键因素对脉动热管在旋转状态下的流动和传热传质特性影响规律，建立与开发适合高速高精度机床旋转部件冷却要求的旋转脉动热管优化设计方法与工具，实现对高速高精度机床旋转部件的高效冷却，降低冷却成本，提高机床的热刚度。

1.指标完成情况：课题组已在重要的国际学术会议和国内外核心学术期刊上发表10篇论文，其中SCI6篇，EI3篇，其他1篇。申请国家发明专利10项，目前已获授权6项；参加国际高水平学术会议3次。Web of Science显示发表论文共被引用8次。其中课题组关于单环路两相热虹吸管的研究结果被引用到制冷行业权威期刊International Journal of Refrigeration上，作为典型实验测量结果进行参考应用。共培养博士生3名，硕士生4名。其中毕业博士1名，硕士4名；在读博士生2名。课题已经完成了预期的研究目标，部分指标有突破。 ..2.研究特色：坚持问题导向，理论研究与应用探索紧密结合。与洛阳轴研科技有限公司展开合作，成功研制了面向电主轴与热管相结合的系列机械旋转部件热-结构耦合特性综合实验平台。提出了适合电主轴特征的多种新型热管冷却结构，揭示了相关传热传质及相变规律，实现了理论创新与应用结合的突破。..3.理论创新：1）结合电主轴实际冷却需求，提出了非分离式热虹吸管（NSTPLT）结构。2）揭示了NSTPLT启动及稳定运行过程，得到了不同工况下NSTPLT的流型转变规律。3）建立了平行轴旋转热管（MRVHPs）实验研究方法，研究了不同因素对MRVHPs传热性能的影响规律。4）建立了MRVHPs的数值模拟方法，研究了管内传热传质机理。5）建立了内置热管冷却结构的转轴传热性能实验研究方法，分析了热管冷却结构在不同因素下对转轴温升的影响规律。6）以150SD型电主轴为实施对象，建立了电主轴热特性仿真模型，研究了热管冷却结构对电主轴温升的作用效果。..4.建议：热管作为优良的导热元件，具有结构灵活、导热能力远超常规冷却方式，具有节约冷却液、节能降耗、绿色环保等特点。如何将其可靠地利用到高速电主轴上，仍有许多关键问题尚未解决。还需要探索在多物理场作用下，热管内壁面上的薄液膜蒸发及管内两相传热传质机理。该问题的探索将对相变换热技术应用在高速电主轴等场合具有非常重要的指导意义。建议将该项研究作为国家自然科学基金的重点项目进行进一步的支持。