脉动流动强化传热的研究进展

脉动热管强化传热技术研究进展张东伟; 蒋二辉; 周俊杰; 沈超; 徐荣吉; 杨绍伦【期刊名称】《《科学技术与工程》》【年(卷),期】2019(019)021【总页数】7页(P1-7)【关键词】脉动热管; 强化换热; 研究方法【作者】张东伟; 蒋二辉; 周俊杰; 沈超; 徐荣吉; 杨绍伦【作者单位】郑州大学化工与能源学院热能系统节能技术与装备教育部工程研究中心郑州450001; 郑州大学土木工程学院郑州450001; 北京建筑大学北京市建筑能源综合高效综合利用工程技术研究中心北京100044【正文语种】中文【中图分类】TK124; TH137换热器作为化工行业的核心设备，提高其换热效率有利于推动系统效能的提升。

在强化换热技术发展过程中，毛细芯式的反重力换热器成为改良重力式和分离式换热器换热高度差这一缺陷的有效途径，但自身的复杂结构和环境适应性差等限制了其走向工业化。

与此同时，脉动热管因其具有结构简单、结构尺寸紧凑、性能稳定、换热高效及普适性强等特性[1]，使其在新能源换热技术、电子设备、微电子热处理、航空航天的深低温技术及核能等领域具有独特的技术优势和广阔的市场前景和经济价值[2—5]。

因此，进一步认识脉动热管的传热机理有助于提升其换热效率。

近年来脉动热管的可视化实验已经对其性能影响因素分析取得了丰硕成果，但强化脉动热管传热机理的研究依然缺乏统一性认识。

本文致力于概括和整理近年来在结构和工质选型方面强化脉动热管传热的研究进展，同时汇总在提高机理认识方面新技术，最后提出目前热管领域存在的问题和技术难点，希望能为脉动热管的优化设计提供有益的借鉴。

1 脉动热管的技术简介脉动热管技术最早由Akachi等提出[6—9]，其结构模型如图1所示，主要包括闭环和开环回路的毛细蛇形结构，分为蒸发段、绝热段和冷凝段。

因其具有结构简单、热响应快、传热高效、性能稳定、价格低廉、无功耗和普适性好的优势和克服传统热管易受黏性、毛细力、飞散以及沸腾制约传热极限等不足的缺点的能力，目前己经在微电子散热、核电站开发、太阳能集热、制冷空调和航空航天等领域展现出良好的应用前景。

强化传热技术研究进展1概述由于生产和科学技术发展的需要，强化传热技术从上世纪80年代以来获得了广泛的重视和发展。

首先，随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。

世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。

设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手段，这对于动力、冶金、石油、化工、制冷及食品等工业部门有着极为重要的意义。

其次，随着航空、航天及核聚变等高顶尖技术的发展，各种设备的运行时的温度也不断升高为了保证各设备有足够长的工作寿命及在高温下安全运行，必须可靠经济的解决高温设备的冷却问题。

最后，随着计算机的迅速发展，密集布置的大功率电子元件在电子设备中的释能密度日益增加。

电子元件的有效冷却，是电子设备性能和工作寿命的必要保证。

正是基于以上原因促使人们对强化换热进行了极为广泛的研究和探讨，力图从理论上解释各种强化传热技术的机理，从大量的实验资料中总结其规律性，以便在工业上加以推广应用，并发现新的更为经济实用的强化传热技术，因此近40年来在世界各国强化传热技术如雨后春笋般不断涌现出来。

20世纪80年代以来，我国经济发展迅速而能源生产的发展相对要滞后得多。

面对改革开放带来的经济高速发展态势，能源供应难以满足迅速增长的需求，节能成为关系到能否可持续发展的重大问题，近年来我国也在节能领域取得了显著的成绩。

1980年到2000年中国经济年平均增长9.7% 而能源消耗的年增长仅为4.6% 节能降耗年平均达5%。

“九五”期间我国每万元国内生产总值GDP能耗1990年价由1995年的3.97吨标准煤下降到2000年的2.77 吨标准煤累计节约和少用能源达4.1亿吨标准煤；主要耗能产品单位能耗均有不同程度下降。

按“九五”期间直接节能量计算节约的能源价值约660亿元；节约和少用能源相当于减排二氧化硫820万吨二氧化碳计1.8亿吨。

当前中国在能源利用效率、能耗等方面与世界先进国家相比还存在较大差距，能源节约还有很大的潜力。

分类号：密级：UDC：学号：405812912008南昌大学硕士研究生学位论文脉冲流体诱导振动的热流固耦合强化传热机理研究The Research on the Thermal Fluid-Solid Coupling Heat Transfer Enhancement Mechanism of Pulse flow-induced Vibration黄鹏培养单位（院、系）：资源环境与化工学院指导教师姓名、职称：周国发教授申请学位的学科门类：工学学科专业名称：流体机械及工程论文答辩日期：2015 年月日答辩委员会主席：评阅人：2015 年月日学位论文独创性声明一、学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名（手写）：签字日期：年月日二、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。

同时授权北京万方数据股份有限公司和中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》和《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务，同意按“章程”规定享受相关权益。

学位论文作者签名（手写）：导师签名（手写）：签字日期：年月日签字日期：年月日□公开□保密（向校学位办申请获批准为“保密”，年月后公开）摘要摘要随着科技的日益发展，多功能、大功率、小型化、高度集成化成为电子设备的发展方向，使得高密度电子产品的散热问题在工程实践中渐渐凸显出来。

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 8 期脉动热管计算流体力学模型与研究进展卜治丞，焦波，林海花，孙洪源（山东交通学院船舶与港口工程学院，山东 威海 264200）摘要：脉动热管利用工质的潜热和显热实现高效的热传递，过程中伴随气液塞强烈的往复振荡，流动与传热现象极其复杂。

利用计算流体力学模拟可以获得管内气液界面形态、流型转换及振荡压降等重要信息。

本文对公开发表的相关研究进行了综述，介绍各个模型的主要公式、数值模拟的求解方法、优势和现有的局限性，总结现有模拟研究开展的主要工作和结论。

通过分析发现了目前存在的问题：相变模型中蒸发、冷凝系数的确定仍未有明确的理论依据；二维模型中管径的确定方法还未形成共识；将气-液-固三相流动的颗粒流体简化为均质流体。

基于上述问题，本文提出了利用计算流体力学模拟脉动热管后续的研究方向。

关键词：脉动热管；计算流体力学；气液两相流；相变；传热中图分类号：TK172.4；TQ021 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）08-4167-15Review on computational fluid dynamics (CFD) simulation and advancesin pulsating heat pipesBU Zhicheng ，JIAO Bo ，LIN Haihua ，SUN Hongyuan(Naval Architecture and Port Engineering College, Shandong Jiaotong University, Weihai 264200, Shandong, China)Abstract: The pulsating heat pipe (PHP) realizes efficient heat transfer through latent and sensible heat of the working fluid. Due to the strong reciprocating oscillation of the gas and liquid plug, the flow and heat transfer mechanisms are extremely complex. Computational fluid dynamics (CFD) simulation on PHPs can provide important information, such as gas-liquid interface shape, flow pattern transition, oscillating pressure drops, etc . Thus, the published CFD simulations on PHPs are reviewed in this paper. The main formulas, numerical simulation methods, advantages and limitations are introduced, and the available simulation research and conclusions are summarized. The analysis reveals some issues to be solved: there is no definite theoretical basis for the choosing of evaporation and condensation coefficients in phase change model; an agreement on the determination of pipe diameter in two-dimensional model has not been reached; the particle fluid of gas-liquid-solid three-phase flow is simplified into the homogeneous fluid. Based on the above problems, further research directions for using CFD to simulate PHPs are proposed.Keywords: pulstating heat pipe; computational fluid dynamics; gas-liquid flow; phase change; heat transfer综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1771收稿日期：2022-09-22；修改稿日期：2023-01-15。

脉动热管传热性能优化实验研究进展肖念何; 吴梁玉【期刊名称】《《建筑热能通风空调》》【年(卷),期】2019(038)010【总页数】6页(P41-46)【关键词】脉动热管; 传热性能; 强化传热; 气液相变【作者】肖念何; 吴梁玉【作者单位】东南大学能源与环境学院; 扬州大学电气与能源动力工程学院【正文语种】中文0 引言脉动热管是20世纪90年代由日本的Akachi[1]最早提出的，相比传统热管，脉动热管的优点具体表现为[2-3]：结构简单，体积小。

当量导热系数大，传热性能好。

形状可任意选取，环境适应性好。

脉动热管在电子器件冷却和生物医学快速冷却及低温储存等领域应用前景广阔。

脉动热管的发展及应用取决于脉动热管的传热性能，研究表明，管径，充液率，工质，倾角和弯头数等因素主要影响脉动热管传热性能[4-7]，热阻是评价脉动热管传热性能的重要指标，公式为：式中：Te为蒸发段平均温度；Tc为冷凝段平均温度；Q为加热功率。

本文综述脉动热管传热性能优化的实验研究，分析管路结构改进，使用新型工质和内表面修饰三种优化策略，重点论述脉动热管强化换热机制，最后探究脉动热管传热性能优化的发展趋势。

1 管路结构改进1.1 非均匀通道型均匀通道脉动热管在某些状态下难以运行，如水平方向放置等。

非均通道脉动热管相比均匀通道的脉动热管多了一个毛细驱动力，这个毛细驱动力能够驱使工质的流动，从而提升脉动热管的传热性能。

这是因为液膜在不同截面处的表面张力不同，即产生了一个附加的毛细驱动力。

式中：σ为表面张力系数，N/m；R1、R2分别为不同截面下管径的曲率半径，m。

工质在不同管径的通道中所受到的流动阻力也不同，流动阻力的差别也会促使管内工质向流阻小的方向流动。

因此，合理利用非均匀通道结构，会给脉动热管内气液两相循环流动注入新的驱动力。

Chien等[8]首次提出非均匀通道结构，设计制造了16通道2 mm×2 mm均匀通道平板脉动热管和16通道2 mm×2 mm和2 mm×1 mm交替出现的非均匀通道脉动热管，在水平角度下，均匀通道脉动热管能有效运行，而非均匀脉动热管无法运行。

汽车排气系统脉动强化传热机理研究近年来，汽车产业的快速发展，给人们的出行带来了更多的便利。

然而，汽车排气系统所排出的排气气体中，含有大量的废气、有害物质和热量。

这些排放物对环境和人的健康造成了严重威胁。

为了减少这些有害物质的排放，研究者们开始着手研究汽车排气系统的脉动强化传热机理。

汽车排气系统中，尾气的温度和流量都会随着车速的变化而不断变化。

这一过程中，脉动流动和传热是同时进行的，因而脉动强化传热机理成为了研究的重点。

研究发现，在固定的平均流量情况下，尾气流动脉动将会使得热传递增强。

这是因为在脉动流动下，尾气在管道中的流动阻力会不断地改变，从而导致管道中热量分配的不均匀。

这一不均匀分配的结果就是在脉动流动状态下，管道内部尾气的温度分布变得更加均匀，进而使得传热效果更加优良。

值得注意的是，在理论研究中，研究者们并不仅仅关注单一的脉动形式。

尤其是我们现实生活中，汽车行驶时产生的脉动形式十分多样，这种多样性也要在研究中进行充分的考虑，以便更加适配实际情况。

进一步的研究表明，脉动流动下的尾气传热效果不仅与摩擦阻力等基础因素有关，还会受到流动形式、流速、流道几何形状等其他因素的影响。

因此，在实际研究中，要逐项对这些因素进行研究，以便充分把握脉动强化传热机理。

对于高速公路等人流量较大的地区，排气系统产热随着汽车流量而不断增加的情况也受到了关注。

在这种情况下，考虑到环保等因素，降低热量排放是十分必要的。

因此，一些研究人员提出了区分流动规律和摩擦阻力等不同因素下的脉动强化传热机理的研究方法，以便优化排气管道的形状和材料。

总之，汽车排气系统脉动强化传热机理的研究工作是一个全局性的、综合性强的工作，它的研究意义和实际意义都非常重大。

在实际工作中，我们应当充分考虑各种实际情况和因素，以有效地减少汽车尾气中有害物质的排放，保障人民的健康和自然环境的持续发展。

随着环保意识的不断提高，汽车尾气排放成为众多环保意识人士关注的热点话题。

液氮温区脉动热管流动及传热特性研究马文统;陈曦;唐恺【摘要】脉动热管是一种新型传热元件,具有结构简单、传热性能突出的优点.为了研究低温脉动热管管内工质流动及传热特性,采用液氮为工质,运用多相流VOF方法建立闭式环路结构的低温脉动热管的三维数值模型,并对模型进行了数值模拟.文章对低温脉动热管管内工质的流型变化和传热性能的影响因素进行了研究.结果显示,低温脉动热管从启动阶段到稳定运行阶段管内工质存在多种流型.得出低温脉动热管的倾角、充液率和内径会对低温脉动热管的传热性能产生一定的影响,并分析了倾角、充液率和内径对低温脉动热管传热性能的影响特点.%Pulsating heat pipe (PHP)is a high-efficiency heat transfer device with simple structures and excellent heat-transfer performance. In order to study the pulsating heat pipe which can be used at the liquid nitrogen zone,a three-dimensional numerical model was established and numerically analyzed based on the VOF method in this paper. In this pa-per,the changes in flow patterns of working medium and the influence factors of heat transfer performance of cryogenic PHP were studied. The results indicated that there existed a variety of flow patterns of working medium from the start phase to stable operation phase in cryogenic PHP. The angle,charging rate and inner diameter had certain influences on the heat transfer performance in cryogenic PHP and the characteristics of these factors which influence the heat transfer performance were analyzed.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2017(023)002【总页数】5页(P102-106)【关键词】低温脉动热管;数值模拟;流型;传热性能【作者】马文统;陈曦;唐恺【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院制冷与低温技术研究所,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院制冷与低温技术研究所,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院制冷与低温技术研究所,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TB657脉动热管（Pulsating Heat Pipes，PHP）或称自激式热管（Oscillating Heat Pipes，OHP）因高效的传热特性和结构简单等特点，引起了国内外众多科研工作者的关注，并在过去几十年里得到了一定的发展。

万方数据第１０期林梓荣等：脉动热管技术研究进展（ａ）闭合回路结构（ｂ）开放同路结构（ｃ）带单向阀的回路结构图１脉动热管基本结构质，弯头一端为加热段，另一端为冷凝段，在中间则根据需要布置绝热段。

其运行机理为：工质在一个蛇形密闭的真空空间里，以低于常压蒸发温度受热蒸发产生气泡，气泡迅速膨胀和升压，形成蒸发端，推动工质流向低温冷凝段，气泡在冷凝段冷凝收缩并破裂，压力下降，工质回流。

另外受热产生的蒸气和冷凝产生的液体在毛细管力和弯曲力的作用下，管内最后将形成气塞和液塞问隔随机分布的振荡状态。

正是这样，由于冷热两端问存在压差以及相邻管问存在压力不平衡，使得工质在加热段和冷凝段之间振荡流动，从而实现热量的传递。

在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，完全是在热驱动下的自我振荡。

脉动热管的结构与运行机理使之与传统热管相比具有如下优点：①体积小、结构简单、成本低。

管径小决定了整体尺寸小；而且不需要吸液芯，减少了热管结构的复杂性和生产成本；振荡动力来自振荡热管本身，无需其它附属设备，运行和维护成本低。

②传热性能好。

除通过相变传热外，脉动热管还通过气液振荡传递显热并将热量转化为振荡需要的功。

③适应性好。

脉动热管的形状可以任意弯曲，可以有多个加热段和冷凝段，而且加热和冷凝的部位可以任意选取，可以在任意倾斜角度和加热方式下工作，这就大大增加了脉动热管的适应性，扩大了应用领域。

这些优点决定了脉动热管在解决小空间高热流密度散热；开发高效换热器和制冷设备；实现在重力场变化条件下的控温技术等方面都极具发展前景。

２实验研究现状２．１脉动热管的可视化实验目前，脉动热管技术的研究主要集中在实验方面，通过可视化实验观察脉动热管启动和稳定运行时管道内的流型、流向等情况是一种常用的研究方法。

Ｌｅｅ［１］采用乙醇作为工质，以铜板开槽、聚丙乙烯密封的办法进行脉动热管可视化实验，槽道尺寸为１．５ｍｍｘｌ．５ｍｌ－ｎ，但并未观察到工质的循环流动，液体回流只是简单的层流流动，而不是典型的气液柱塞流。

脉动热管内流动及传热传质数值研究文章采用Mixture模型对脉动热管内的流动和传热现象进行了数值研究，结果表明脉动热管在1s时刻已经热启，在5s时刻已经达到稳定。

从气相的体积分数云图看到热管内出现小气泡聚合成大气泡，并逐渐形成液塞与气柱的现象，从气相速度云图中看出脉动热管内呈稳定的振荡流运动，且气液两相运行速度相对稳定，其数值模拟结果能为脉动热管的运行机理提供理论基础。

标签：Mixture模型；脉动热管；振荡流引言随着计算机等电子科技产品逐渐朝小型化、多功能化、高稳定性的方向发展，更加迫切需要低功耗、低成本的新型散热元件，传统传热装置多有赖于增强空气的对流散热效果，已不能满足实际需要。

脉动热管[1-3]具有结构简单、运行高效、可在多种重力环境下工作特点的振荡热管必将在越来越多的领域得到应用，脉动热管发展时间不长，因而对它的研讨还处于初步阶段，论文相对较少。

目前各国学者对脉动热管的研讨主要以实验为主[4-5]，主要是为了研究它的操作过程和现象，研究管径[6]、加热位置[7]、管内工质[8]、充液率[9]等因素对脉动热管运行和传热效果的影响。

数值模拟作为现代物理研究的一个重要手段，被越来越多的应用到科学研究和生产实践中，因有良好的可視化结论和精确的数据分析，能够对理论和实验研究方式进行有效补充，使彼此相互印证。

本文采用混合模型（Mixture Model）模拟脉动热管内传热和流动现象，揭示气液两相流速度场分布和运动规律。

1 几何物理模型和数学模型1.1 几何模型和边界条件本文以文献[10]的实验台为依据，建立二维几何模型，内径为0.004m，高为1m。

管壁材质为紫铜，脉动热管内抽真空后充入59.82%的无水乙醇，因脉动热管为规则结构，网格划分时并未采取分区和局部加密方式，整个计算区域采用四边形网格，生成网格数大约为200000。

边界条件时是把脉动热管划分为四个区域，分别是下部为蒸发段，加热温度设置为573K，两边为绝热段，热流密度为0，上部为冷凝段，设置冷凝温度为372K。

第26卷,总第148期2008年3月,第2期《节能技术》E NERGY C ONSERVATI ON TECH NO LOGY V ol 126,Sum 1N o 1148Mar 12008,N o 12脉动流动强化传热的研究进展路慧霞,马晓建,赵　凌(郑州大学化工学院,河南　郑州　450001)摘　要:介绍了脉动流动强化传热的机理、方法,分析了脉动频率、脉动振幅、雷诺数、管径、脉动型式、流体物理性质对传热特性的影响,概括了脉动流动强化传热的国内外研究现状,并提出了进一步研究的建议。

关键词:脉动流动;影响参数;强化传热中图分类号:TK 124 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2008)02-0168-04R esearch Advancements of H eat Transfer E nhancement by Pulsating FlowLU Hui -xia ,MA X iao -jian ,ZH AO Ling(C ollege of Chemical Engineering ,Zhengzhou University ,Zhengzhou 450001,China )Abstract :The mechanism and the study method of heat trans fer enhancement by pulsating flow are intro 2duced 1The effecting factors such as the pulsating frequency ,pulsating am plitude ,Reynolds number ,inner di 2ameter ,pulsating patterns ,and physical properties of the w orking fluid ,are analyzd 1The present status of the experiments and theoretical investigations is summarized 1Recommendations for further research are presented 1K ey w ords :pulsating flow ;affecting factor ;enhancement heat trans fer收稿日期　2008-01-05 修订稿日期　2008-03-07作者简介:路慧霞(1981～),女,硕士研究生。