表面親-疏水性能對脈動熱管傳遞性能的影響.pdf

1、脈動熱管無傳統(tǒng)熱管的毛細芯結(jié)構(gòu)，由包含蒸發(fā)和冷凝的毛細管或多個U形槽道組成。脈動熱管通道當(dāng)量直徑較小，表面張力的作用使汽液兩相容易形成間隔的汽彈和液彈，蒸發(fā)段和冷凝段的溫度梯度引起的壓差是液彈脈動的驅(qū)動力。脈動熱管的傳熱方式主要為液彈脈動的顯熱傳熱，是未來高熱流密度散熱器件的主要途徑。同時熱管通道內(nèi)的振蕩流動及汽液界面形態(tài)的變化也是微反應(yīng)器等化工微過程和設(shè)備研發(fā)的重要方面。本文實驗和理論地研究了表面潤濕性能對脈動熱管內(nèi)汽液界面形狀、液彈

2、的脈動和傳熱性能的影響。制備了潤濕性能分別為超親水、親水、紫銅、疏水和超疏水表面的脈動熱管，對應(yīng)表面的平均接觸角分別為0°、12.9°、73.4°、141.5°和155.5°。脈動熱管的工作介質(zhì)為去離子水，加熱方式為垂直底部加熱模式。
　　一系列的可視化觀測發(fā)現(xiàn)，超親水和親水脈動熱管的液彈脈動劇烈程度大于紫銅脈動熱管，液彈脈動過程中在液彈尾部壁面沉積一層液膜，隨著加熱功率的升高和壁面親水性增加，液膜沉積的長度增加，即相變傳熱面積增

3、加，脈動熱管傳熱性能提高。脈動熱管的彎管數(shù)為6時，超親水和親水脈動熱管平均汽液界面長度比紫銅脈動熱管增加了43％～406％和0％～106％，平均液彈脈動振幅分別增加了0％～196％和0％～120％，液彈脈動的平均速度分別增加了0％～344％和0％～300％。與紫銅脈動熱管相比，超親水和親水脈動熱管傳熱性能分別提高了5％～15％和15％～25％。超親水表面的微結(jié)構(gòu)滯留液體增加了壁面的附加熱阻，傳熱性能低于親水脈動熱管。而疏水脈動熱管在整個

4、運行過程中無液彈脈動的現(xiàn)象，傳熱性能顯著下降。
　　實驗研究了完全超疏水脈動熱管和蒸發(fā)段為超親水，冷凝段和絕熱段為超疏水的組合表面脈動熱管的傳遞性能。超疏水表面自由能較低、滯后角小、液滴在表面容易移動。可視化實驗發(fā)現(xiàn)，與紫銅脈動熱管汽液界面呈凹界面不同，超疏水表面汽液界面呈凸界面。組合表面脈動熱管汽液界面的長度顯著大于完全超疏水脈動熱管。與紫銅脈動熱管相比，組合脈動熱管液彈脈動的平均振幅和平均速度分別增加了0％～116％和0％～3

5、47％，傳熱性能提高了5％～20％。而完全超疏水脈動熱管液彈脈動的平均振幅和速度分別下降了5％～100％和15％～100％，而且脈動熱管蒸發(fā)段出現(xiàn)部分燒干，蒸發(fā)段的溫度顯著升高，蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)顯著下降，傳熱性能降低了10％～35％。
　　模擬分析了接觸角對汽液界面形狀及其對液彈脈動和傳熱性能的影響?？疾炝艘簭椕}動過程中前進角和后退角對液彈脈動振幅、速度、潛熱傳熱量和顯熱傳熱量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，汽液界面的傳熱面積隨著壁面接觸角的降

6、低而增加。液彈脈動的振幅和速度隨著表面潤濕性能的提高和脈動熱管內(nèi)徑的增加而增大。與紫銅脈動熱管（θa=85°，θr=33°）相比，超親水脈動熱管（θa=1°，θr=1°）液彈脈動的最大位移和速度分別增加了47％～75％和70％～97％，液彈尾部液膜的厚度和動態(tài)彎月面的長度隨著表面接觸角的降低而增加，超親水脈動熱管液膜厚度的最大值比紫銅脈動熱管增加了42％～57％，動態(tài)彎月面長度的最大值增加了19％～26％，熱阻降低了65％～73％，傳熱

7、性能顯著提高。
　　在非圓形微通道中，由于表面張力的作用冷凝液體向微通道的尖角處聚集形成彎月面和薄液膜兩部分，沿著微通道冷凝的方向，薄液膜和彎月面區(qū)逐漸發(fā)生變化。環(huán)狀流與間歇流的轉(zhuǎn)變位置發(fā)生在汽液界面呈圓柱形的位置。本文模擬計算分析了非圓形微通道中環(huán)狀流向間歇流轉(zhuǎn)變過程汽液界面的形狀的演化規(guī)律，研究了流型轉(zhuǎn)變的位置或環(huán)狀流的長度。理論分析結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，平均相對偏差為30.5％，平均絕對誤差為5.15mm?；谀Ｐ陀嬎憬Y(jié)果