劉 昂，楊金鋼，楊 威，王新鵬

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

微熱管可以無需加任何動力就可以將大量熱量通過極小的橫截面積遠(yuǎn)距離輸送。1994美國俄亥俄州通用發(fā)電機(jī)公司的R.S.Gaugler研究了最早的“傳熱器件”[1]，并申請了美國專利(No.2350348)，首先提出了有吸液芯的標(biāo)準(zhǔn)熱管或稱現(xiàn)代熱管的原理。較為完整的熱管理論是Cotter在1965年提出的[2]，之后提出的微型熱管的理論當(dāng)時引起國際上更多學(xué)者的研究，為后來微型熱管研究與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。B.R.bin和G.P.Peterson[3-5]對單根微熱管進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，研究了微熱管傳熱極限和工作特性的影響因素,建立了二維穩(wěn)態(tài)流動和傳熱的模型，得出了計(jì)算最大傳熱能力的公式[4]。D.Khrustalev和A.Faghri[6]為了進(jìn)一步研究又建立了單根微熱管最大傳熱能力和熱阻的數(shù)學(xué)模型，得出汽液交界面的剪切力是影響最大傳熱能力的最大因素。M.Murakami[7]對微熱管簇的傳熱系數(shù)做了研究，此后Sartre等研究了有鋁板制成具有平行溝槽的微熱管陣列，并建立了微熱管陣列理論模型。Kim等[8]建立了微熱管傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，得到了微熱管的最大傳熱率和氣態(tài)工質(zhì)的壓力分布，優(yōu)化了設(shè)計(jì)。趙耀華等[9]對微熱管陣列的傳熱性做了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明平板微熱管陣列具有很好的均溫性，以甲醇為工質(zhì)充液率為0.3左右時熱管的傳熱能力最好且最大的熱通量已達(dá)200 W/cm-2，傳熱效率高達(dá)85%是傳統(tǒng)熱管的十倍以上。

1 平板微熱管陣列

微熱管陣列(如圖1所示)是一種鋁合金制品，內(nèi)部并列布置一定數(shù)量直徑為φ1～φ2 mm相互獨(dú)立單根微熱管的扁平薄板。主要由金屬密封包裝、毛細(xì)結(jié)構(gòu)和工作介質(zhì)，分為蒸發(fā)段和冷凝端，一端受熱時工質(zhì)通過蒸發(fā)-冷凝相變來實(shí)現(xiàn)高效傳熱，無需任何外部動力。在普通微型熱管基礎(chǔ)上，單根熱管內(nèi)設(shè)有多組矩形槽道可以有效地減少蒸發(fā)的工作介質(zhì)之間的相互影響，降低相變熱阻，從而提升其最大傳熱量，提高傳熱性能。因微熱管的高效傳熱，可以廣泛地應(yīng)用到各個散熱領(lǐng)域，迅速成為熱管界研究的重點(diǎn)，不斷分析與模擬影響傳熱性能的因素。

圖1 平板微熱管陣列Fig.1 Plate micro-heat tube array

微熱管陣列內(nèi)部的多根熱管都是獨(dú)立運(yùn)行的，可以避免因?yàn)閱蝹€熱管破裂而影響傳熱效果。此外內(nèi)部的每根微熱管都采用了可以強(qiáng)化傳熱的微翅結(jié)構(gòu)，如圖2所示，可以增大微熱管的受熱面，從而提高了傳熱性能。此外，該微熱管陣列可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)不同的尺寸，更易于滿足各產(chǎn)業(yè)的設(shè)計(jì)要求。外形平整，可以與大多數(shù)加發(fā)熱元件器件表面緊密結(jié)合。微熱管陣列的原材為一次性擠壓成型的帶微槽的鋁材，成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)銅材。

圖2 微熱管陣列內(nèi)部的微翅結(jié)構(gòu)Fig.2 Micro-winged structure inside micro-heat tube array

目前國內(nèi)外對平板熱管的研究主要集中在兩個方面：一通過理論分析熱管尺寸和物性參數(shù)對傳熱性能的影響，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，研究什么條件下存在最大熱通量和傳熱系數(shù)；二是根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件建立不同模型，利用FLUENT進(jìn)行模擬計(jì)算，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較。通過模擬設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)形式得出最優(yōu)方案，優(yōu)化制造工藝技術(shù)的改進(jìn)等方面?？梢詫⒗碚摗⒃O(shè)計(jì)及制造工藝進(jìn)行一體研究。

2 工作原理

微熱管陣列工作原理如圖3所示，微熱管利用了熱傳遞最快的傳導(dǎo)方式，在密閉的真空管內(nèi)利用熱端冷端液-汽相變過程快速傳熱，在熱端吸熱蒸發(fā)后在冷端冷凝放熱。一般在沖入工質(zhì)前都是將管內(nèi)抽成1.3×(10-1～10-4) Pa的負(fù)壓狀態(tài)[11]，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。微熱管從下往上依次為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。當(dāng)微熱管兩端存在溫差時，蒸發(fā)段吸液芯中的液體工質(zhì)就會蒸發(fā)汽化，蒸汽流向冷凝端并放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力作用流回蒸發(fā)段。只要存在溫差甚至微小的溫差，循環(huán)過程就會一直進(jìn)行下去。在傳熱中微熱管必須經(jīng)歷有六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程：

1)熱源的熱量，通過熱管墻壁，和充滿液體蒸氣吸收核心傳遞給液體-液體界面;

2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；

3)蒸汽室中的蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段；

4)氣液界面的蒸汽在冷凝器冷凝;

5)熱量從汽液界面通過吸收芯、液體工質(zhì)和管壁傳遞到冷源；

6)由于毛細(xì)管作用在液體中冷卻液回蒸發(fā)器的核心工作。

圖3 微熱管陣列工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of working principle for micro-heat tube array

3 FLUENT軟件的網(wǎng)格技術(shù)

FLUENT軟件可以導(dǎo)入Gambit等軟件所建的模進(jìn)行單元計(jì)算和存儲求解變量，具體為：二維的四邊形和三角形單元；三維的四面體核心單元；六面體核心單元；棱柱和多面體單元。

在FLUENT軟件的應(yīng)用當(dāng)中，可以選擇兩種數(shù)值方法：基于壓力的求解器和基于密度的求解器。利用常規(guī)意義上的投影計(jì)算法則的是壓力求解器。在投影方法中，首先以動量方程為理論基礎(chǔ)來求解速度場，繼而通過壓力方程的修正得到能夠滿足連續(xù)性條件的速度場。FLUENT軟件中包含基于壓力的分離求解器和耦合求解器兩種。瞬態(tài)N-S方程(瞬態(tài)N-S方程在理論上是絕對穩(wěn)定的)是由密度的求解器直接求解得到的，它是將穩(wěn)態(tài)問題轉(zhuǎn)變成隨著時間變化而變化的瞬態(tài)問題，由給定的初場時間推進(jìn)到收斂的穩(wěn)態(tài)解，這就是通常說的時間推進(jìn)法(密度基求解方法)。這種方法可應(yīng)用于求解超音速、超高音速等流場的強(qiáng)可壓縮流問題，且易于被改為瞬態(tài)求解器。

4 傳熱模型的建立

4.1 鋁管-甲醇重力熱管的模型建立與網(wǎng)格劃分

本文中所采用的物理模型為鋁管-甲醇重力熱管，見圖4，該熱管的形狀為圓形，并將單根熱管簡化為二維模擬，見圖5。首先建立該熱管模型，熱管從下往上依次為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，長度依次為300、400、300 mm。熱管的外徑為φ24 mm，內(nèi)徑為φ20 mm，管內(nèi)充液率為20%～40%。利用ICEM-CFD把該熱管模型采用二維面網(wǎng)格進(jìn)行劃分，計(jì)算區(qū)域中的面網(wǎng)格單元均為四邊形。采用了根據(jù)面的輪廓線來生成網(wǎng)格的生成方法來捕捉幾何特征，提高了計(jì)算精度。

圖4 鋁管-甲醇重力熱管模型Fig.4 Aluminum tube-methanol gravity heat pipe model

圖5 單根熱管二維面網(wǎng)格Fig.5 Two-dimensional patch dependent of single heat pipe

4.2 有內(nèi)熱源的熱管導(dǎo)熱問題的數(shù)值模擬

本文對于熱管導(dǎo)熱問題的計(jì)算可將該單根熱管看做是一個超級導(dǎo)熱體，不考慮熱管內(nèi)的相變情況。由于蒸發(fā)段需要有熱量輸入，可以在外壁面定義為常熱流壁面邊界條件，這樣外壁面自然會通過導(dǎo)熱將熱量傳遞到內(nèi)壁面。內(nèi)壁面是固體和液體的交界面，屬于耦合的界面。絕熱段可設(shè)置為常熱流為0的壁面邊界條件。冷凝段的外壁面向外界散熱，由于規(guī)定了冷凝段邊界上物體與周圍流體的對流換熱系數(shù)及周圍的溫度，向外散熱可設(shè)置成第三類邊界條件。上下邊界則默認(rèn)為絕熱邊界。

4.3 熱管內(nèi)氣液相問題的數(shù)值模擬

本文中針對熱管內(nèi)氣液相問題的計(jì)算選用流體體積函數(shù)模型(VOF)進(jìn)行數(shù)值模擬，每個控制單元所占的體積分?jǐn)?shù)之和等于1，并采用N-S控制方程來實(shí)現(xiàn)對熱管內(nèi)蒸發(fā)和冷凝的現(xiàn)象的模擬。整個過程采用SIMPLE算法[12]。

連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

能量守恒方程

(3)

RNG k-ε模型

(4)

(5)

5 結(jié)果與分析

熱管傳熱性能的影響因素有很多，如熱管的毛細(xì)極限、微溝槽的幾何形狀、傾角、充液率、工質(zhì)、工作溫度等等。本文中利用FLUENT軟件模擬出充液率與不同工質(zhì)對熱管的換熱性能的影響得出的結(jié)論進(jìn)行分析。

5.1 不同工質(zhì)熱管換熱性能的影響

通過FLUENT軟件的瞬態(tài)計(jì)算模擬出用水、甲醇、乙醇三種工質(zhì)在充液率為30%時對熱管換熱性能的影響。由圖6看出，當(dāng)蒸發(fā)段外壁溫度的增加時，熱通量也隨之增大。水為工質(zhì)時，在冷凝段外壁面溫度為71 ℃時，熱通量增加逐漸趨于平穩(wěn)，最大為3.86×105W·m-2；乙醇工質(zhì)時，冷凝段外壁面溫度69.9 ℃時，最大熱通量4.91×105W·m-2；甲醇為工質(zhì)時，在冷凝段外壁面溫度為67.5 ℃時，最大熱通量能達(dá)到 8.1×105W·m-2。這說明甲醇為工質(zhì)時的傳熱效果較良好，可改善熱管的換熱性能。

圖6 不同工質(zhì)下的微熱管溫度場Fig.6 The temperature field of micro-heat pipe under different working conditions

5.2 不同充液率熱管換熱性能的影響

充液率是影響熱管工作性能的另一重要參數(shù)，熱管中充液率過高、過小，既會引起不穩(wěn)定傳熱，又影響傳熱效果，所以為了得到最佳充液率的范圍做了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Streltsov為了得出熱虹吸管充液量與熱流量之間的關(guān)系[13]，參考了經(jīng)典的Nusselt豎壁膜狀冷凝理論，得出了下式：

(6)

由上式可清楚地看出微熱管充液率與幾何尺寸、工質(zhì)物性有關(guān)，與熱流量的立方根成正比。但是公式計(jì)算的理論結(jié)果會與實(shí)際情況有很大的差距，因?yàn)闆]有充分考慮熱管內(nèi)部蒸汽與液膜之間的剪切力這一影響傳熱性能的主要因素。且熱管內(nèi)換熱系數(shù)與液池的狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)處于核態(tài)沸騰時換熱系數(shù)會變高，所以式(6)計(jì)算出的充液率偏低。

由圖7，當(dāng)充液率為20%～30% 時，微熱管的熱導(dǎo)率開始上升，最高時達(dá)到6.11×10-5W·m-2；當(dāng)充液率為30%～40%時，整個微熱管的熱導(dǎo)率開始下降。這說明當(dāng)充液率在20%～30%時為最佳充液率，這也間接驗(yàn)證了Harada等提出的最佳充液率基本耦合。

圖7 不同充液率下的微熱管溫度場Fig.7 The temperature field of micro-heat tube at different filling rate

6 總結(jié)

通過FLUENT軟件對微熱管陣列進(jìn)行理想化數(shù)值分析，并與理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甲醇工質(zhì)對于微熱管在最佳充液率下，相同的蒸發(fā)段表面溫度具有更大的熱通量。由于甲醇本身的熱物性，當(dāng)熱管吸液芯發(fā)生核沸騰狀態(tài)時，影響微熱管傳熱能力最明顯的因素是甲醇汽-液相互摩擦作用引起的氣液交界面的剪切應(yīng)力。但由于該模型自身所在的限制，未考慮微熱管吸液芯內(nèi)部微槽的結(jié)構(gòu)，未能得出工質(zhì)與微槽彎液面接觸形成的剪切應(yīng)力是否影響微熱管的傳熱能力。