脉动热管数值模拟

脉动热管的数值模拟
摘要：脉动热管（PHP）是一种基于两相流热控设备的基础的同时发生蒸发和冷凝现象。目前常用的图
形模拟及辅助模拟法均利用两相流模型解决了单闭环PHP的问题。通过数值模拟完成常/变量在不同的
边界条件的热物理性能，以方便对其不同参数下流型的研究。最新的PHP模型增加了热量传递率的参
数，从研究获得的结果。
关键词：脉动热管（PHP），闭环，打靶法，均匀流

1简介
随着包装技术的进步，电子热管理计算取得了新的进展。新型冷却方法是热量管理成功所必需的
条件。脉动或循环型热管道是一个相对较新的研究方向，这个创新研究领域，首先由Akachi等人提出
[1]
。

脉动热管（图-1）是一种基于两相流热控设备的基础的同时发生蒸发和冷凝现象。在蒸发器内，
工作流体在发生蒸发区域产生蒸汽栓塞，推动流体呈弹状向冷凝器移动。蒸汽的弹状运动和脉动热管
的密度变化的为操作设备提供驱动力。各种参数的变化均会影响到PHP的性能。如何区分主要参数和
次要参数使得研究者不断尝试提出更好的PHP研究模型。因此，参数化研究是极其重要的，是如何实
现利益最大化的基础。

2数学模型
用来解决闭环脉动热管的数学模型的建立是通过将质量，能量，动量方程进行模型建立（Khandekar
等[2]，Manyam[3]）。不同的公式会获得不同的两相流模型（均匀流模型和分离流模型）。没有任何一
个特定的流态参考，这些模型用于计算压降。目前均相流模型使用较为广泛。PHP在弯曲的压力降相
关性的计算使用由Chisholm提出的模型[4]。其传热系数的计算可使用由Chen提出的数学模型[5]。
均质模型是假设在液相和气相阶段工作流体是均匀变化的。我们假设速度，温度和压力的各个阶
段均是平等的。这种假设认为在这三个变量的差异将促进动量，能量和质量之间的相转移速度均匀平
稳。这个模型的一个重要的几个方程如下。

图-1 闭环PHP 图-2 管内两相流
热管两相流模型基于稳态方程式而建立。
质量守恒方程

.vlmmm••，mAu• （1）
动量平衡方程

（2）

整理上述模型

Fagdpdpdpdpdzdzdzdz （3）

压力梯度摩擦
2
2tpFfGv

dp

dzD

（4）

所以 [(1)]vlvvxxv
（5）

RenTPfB
ReGD 11vlxxvv

（6-8）
B=16，n=1 if Re＜2100
B=0.079，n=0.25 if Re≥2100
压力速度梯度

22
[()]pvvladdvdvdxdpGGvvdzdzdzdpdz





（9）
重力梯度

cosgdpg
dz
v



（10）

由（10和11）式（3），得

sinAdpdFAgdzmdu•
22()1vlFgvdpdxdpGvvdzdzdzdpdvdzGvxdz
（11）
能量方程 22()()cos22vlvlvvllmumuddQmhmhmgdzdz••••• （12）

上述方程简化和整理，我们得到
（13）

2
2

4''cos(1)()vlvlvvldhdhdvq
gxxGvxdxGDdzdxdzdzhGvvv




3闭环问题（射击法）
利用上一节中所述的数学模型（式（12）、（14）），可以计算出PHP的压降。但是，对于一个
现实的模型，如果我们在一开始设置入口点的蒸发器，经过遍历所有的PHP循环，回到同一点，净压
降应为零。

图-3 PHP压降变化曲线 图-4 PHP新型目标设计
使用射击方法来解决这个问题，压降如图3所示。利用热物理性能不变的模式。这个问题也解决
了变量热物理性质的问题。通过数值模拟完成多项参数研究。

4 PHP新设计建议
PHP闭环如图1所示，蒸发器的长度与表面积参数可用于对散热即有限的热源（如，对被冷却物
体）的长度的计算。为了强化传热，一个新的设计采用了螺旋蒸发器，提出如图所示图-4。在这个设
计中，弯曲处往往会降低流速和压降。增加蒸发器表面面积及传热与加息蒸发器的长度参数变化在下
一节中进行数值模拟。

5数值结果与讨论
PHP数值模拟所获得的一些结果讨论如下。
对直径，长度，质量流量，倾斜的和工作流体条件都进行了研究。对新设计（图4）进行分析和
提出了一些结果。结果表明，热传递速率显著增强。有图5可知质量流量增加与管径的关系。由图6
得，质量流量先增大后减小的传热率增加。最初为Q的增加，质量提高而导致出口大量减少，导致质
量流量的提高。但是随着Q是进一步增加，蒸发器出口质量的进一步提高，从而导致增加摩擦压降。
当压力下降，质量流量减小。

图-5 质量流量与直径 图-6 质量流量与热传递比率
图7是新的建议设计的数值模拟。随着蒸发器长度的增加传热比率的变化。图8表示PHP散热接
触面积增加与直径的关系。其中弯曲模型蒸发器忽略压降变化，预测传热比率在不可忽略传输速率。

图-7 热传递比率与蒸发器长 图-8 热传递比率与直径
随着出口质量提高蒸发器传热的长度也随之增加。图9结果表明，在弯曲模型蒸发器中忽略压降
是，会降低出口质量相比。因为在后一种情况下，更多的压力下降，会导致更少的质量流率和高热传
输速率。

图-9 出口流速与管长 图-10 质量流量与管长
如图10所示质量流量随蒸发器长度的增加而增加。随着长度的增加，压力下降结果质量流率增加
更加迅速。该模型中弯管处压降也被忽略。如上所述，这样做的原因是在增加压降。

图-11 压降与位置 图-12 出口流速与倾斜角度
图11所示压降在不同位置的变化。图中的每一个步骤在弯道位置的压降。这在压降沿着弯曲的位
置增加，因为在蒸发器中，两相压降在弯曲时的质量提高弯曲增加。图12可知，蒸发器出口处在重力
影响下倾斜质量流量减少。

6 结论
本论文通过软件数值模拟，确定PHP两相压降计算使用均匀流模型。对各种参数如直径，长度，
压力，质量流量，温度对PHP的性能的影响进行了研究。对增加散热与增加直径PHP和蒸发器的长度
进行研究，提出了一个新的设计使蒸发器的长度可以变化，以获得更多的散热率。

参考文献
[1].H. Akachi, F. Polásvek, and P. Svtulc, "Pulsating Heat Pipes", Proceedings 5th
International Heat Pipe
Symp. Melbourne, Australia, 1996, pp. 208-217.
[2].Sameer Khandekar, Sanka V.V.S.N.S.Manyam, M.Groll and Manmohan Pandey, “Two phase flow
modeling in closed loop pulsating heat pipes”, 13th International Heat Pipe Conference (13th
IHPC), Shanghai, China, September 21-25, 2004.
[3].Sanka V.V.S.N.S.Manyam, “Modeling two-phase flows in mini-channels- Application to
pulsating heat pipes”, Indian Institute of Technology Guwahati, M.Tech Thesis, 2004.
[4].D.Chisholm, “Pressure losses in bends and tees during steam water flow”. NEL Report
No.318 (1967).
[5].C. Chen, “A correlation for boiling heat transfer to saturated fluids in convective
flow”. ASME
paper 63-HT-34.Presented at 6th National Heat Transfer Conference, Boston.

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）