脉动热管的毛细滞后阻力和流型转换机理

脉动热管具有蛇型毛细管结构，如何有效促进流型转换，实现动力和阻力的涨落：增加薄液膜及脱离压力的影响，消除毛细滞后阻力的作用，是大幅提高其热性能的根本途径。对脉动热管的研究内容包括:(1)小功率下"液塞链流"时动态液塞所受毛细滞后阻力及液塞弯月面前沿液膜薄厚的影响规律；(2)脉动热管水平放置大功率时"似明渠流"的机理及其顶部液膜薄厚和薄液膜脱离压力的影响规律；(3)整个脉动热管从"液塞链流"到"似明渠流"的转换机理和流型长度份额影响因素；(4)脉动热管的"流阻极限"和"干涸极限"的机理和条件。研究涉及传热传质学与微尺度流体力学、表面物理化学等的交叉，拟建立物理和数学模型、采用实验手段剥离和解决问题，将重视理论和实验结果的统一。脉动热管中力的涨落和流型转换等研究将定性和定量说明"流阻极限"和"干涸极限"，会从根本上揭示脉动热管工作性能好坏的本质原因，对深刻认识脉动热管的工作机理具有重要的意义。

在本项目研究之前，氨工质脉动热管(Ammonia-Pulsating Heat Pipe, NH3-PHP)实验研究属于国际空白；理论方面，PHP的流动阻力、流型转换和PHP性能的对应关系、极限等方面研究不足。.本项目采用不同于前人的典型工质，克服了NH3-PHP的全可视化毛细玻璃管加工、NH3充装、密封等困难，国际上首次进行了NH3-PHP实验研究。从PHP的驱动力、阻力与流型的对应关系、PHP水平工作时的流型转换条件和界限、毛细管中流型的变化规律和转换机制、从驱动力及阻力和性能、传热极限等角度研究了PHP，采用高速摄像等手段对流型和性能等关键因素进行实验、分析、再实验、再分析，达到了项目的研究目标。.实验结果表明，NH3-PHP由于动力足，在不同的倾斜角下都具有很好的启动特性，4℃温差即可完成启动；NH3-PHP具有很好的传热特性，整体热阻较低，可以至0.02W/K；NH3-PHP在有倾角的底加热工作时，加热段中为大量小汽泡会聚合流型，流出加热段以环状流为主；水平时会出现一定份额的“似明渠流”，充液率较低时，早达到“烧干”极限。可视化实验还获得了流速、潜热和显热份额、各因素影响等定量结果，为理论分析提供了好的边界输入。理论分析结果表明，水和氨工质PHP表现了不同的动力和阻力。在PHP工质的蒸发和凝结过程，蒸汽存在“饱和度势差”。解决了毛细管中工质流动伴有蒸发和凝结过程时，压降计算方法存在范围小、误差大等问题，修正并降低了最大速度。毛细管中工质流型变化使阻力份额发生明显变化，PHP弯道处压力损失最大；毛细滞后压力损失与弯道压力损失的比值会随着功率而大幅降低；而重力压力损失与弯道压力损失相比变化不大。.可以提升PHP性能方面，共性的内在机理可以归结为两点：一是要求动力足而阻力小，动力方面取决于加热段和冷却段的饱和压力差，典型的NH3工质的动力足，性能有大幅提升的效果，这正如所预期的一样；阻力方面，由于PHP采用毛细管，因此工质流动的摩擦阻力必然占有较大份额，尤其是毛细管拐弯的数量；毛细管中汽泡的聚合、流型转变会改变流阻。二是针对工质要使PHP的设计满足高性能流型，这一方面会使流动阻力大幅降低，另一方面也会使PHP的极限升高。.本项目研究结果揭示了PHP的内在工作机制，提出的性能提升方法对于主控因素和结构优化设计具有重要的科学和现实意义。