闭环脉动热管启动的动态性能分析
摘要：介绍了控制理论（系统辨识理论），在实验研究的基础上，定量分析了闭环脉动热管的启动性能不同工况下各种工作液。提出了“输入”（热载荷）和“输出”（蒸发器温度）之间的初步动态关系和相应的六个评价标准，以实现定量表征。分别对两种最常见的启动类型的动态性能进行了研究，为闭环脉动热管启动的进一步仿真和控制设计提供了先决条件。基于这种分析，表明启动的最佳液体填充率约为水41%，乙醇52%，甲醇在35%~41%之间。随着倾角从0增加到90，启动性能得到了提高..随着热负荷的增加，观测到了较快的启动速度和较好的相对稳定性。 温度升高了。此外，具有小动态粘度、小比热、特别是大饱和压力梯度与温度的工作流体有利于闭环脉动热管的启动性能。
关键词：脉动热管、启动性能、因素
- 导言
由于其良好的性能、简单的结构和低的制造成本，脉动热管（PHP）被引入电子冷却应用中，特别是作为一种有吸引力的选择 在严格限制空间和运营成本的情况下[1]。由于工作流体在回路中的循环，PHP可分为闭环和开环，前者通常比后者具有更小的热阻[2]。传统的闭环脉动热管（闭环脉动热管）通常作为一个连续的毛细管以一种平面蛇形的方式存在，它首先被疏散，然后部分填充一个WO 灵液。由于表面张力，管子的直径足够小，使工作流体以液体塞和塞的形式自然分布在闭环脉动热管内部。 闭环脉动热管必须在至少一个部分（蒸发器）中加热，并在另一个部分（冷凝器）中冷却。由于闭环脉动热管上建立的温差和液体的不均匀分布，在闭环脉动热管中会产生具有非均匀压力振荡的饱和压差的蒸气塞和段塞，使工作流体经历两个示波器的复杂位移 托利和循环特性[3]。
在过去的几十年中，人们对不同结构的闭环脉动热管的流动模式、热性能和可行性有很大的兴趣[3-18]。在闭环脉动热管中观察到Bubbly流、段塞流和半环/环流..结果表明，闭环脉动热管的热性能取决于几何参数、工作参数等多种参数 流体性质、热负荷、倾角、填充比、匝数等。闭环脉动热管的优化设计是基于对这些参数的总体考虑。
除了热性能和流动特性外，启动性能是闭环脉动热管实际应用中的另一个重要问题。闭环脉动热管的启动是一个动态过程 从热负荷应用到蒸发器，直到达到准稳态热状态时，闭环脉动热管能够在不过热的情况下输送施加的热负荷[2]。因此，已经进行了几项实验研究，以研究闭环脉动热管的启动性能。早期涉及启动性能的实验结果由Kadoguchi和Tashiro[19]和Tong等人报道。[3].研究发现，在初始启动期间，在向蒸发器施加热量的时刻，听到了核沸腾产生的尖锐噪声。此外，Tong等人。[3]在启动过程中观察到工作流体的大幅度振荡。徐和张[20]对以FC-72为工质的2.0mm内径多转闭环脉动热管的启动性能进行了实验研究。观察到两种启动过程：有感热接收启动过程，温度超调，然后在低热负荷下稳定的热振荡，以及平稳的传感。可热接收启动过程伴随着在高热负荷下的平稳振荡周期。随后，Khandekar等人[21]对内径为2.0mm的单环闭环脉动热管的启动过程进行了可视化调查。与徐和张的结果相似，观察到两种类型的循环启动，称为“突然启动”和“逐步启动”。然而，在上述实验研究中几何参数、工作流体性质、热负荷、倾角、填充比、匝数等因素对启动性能的影响较小。为此，Charoensawan和Terdtoon[22]实验研究了转弯数对横向闭环脉动热管启动性能的影响。他们发现，水平闭环脉动热管的启动在很大程度上取决于蒸发器温度，这与匝数有关。启动温度随匝数的增加而降低。Xian等人[23]对以水为工质的闭环脉动热管的启动特性进行了倾斜角影响实验，表明启动温度 在水平操作下，倾角明显高于其他倾角，但随着充填率的降低，倾角的重要性减弱。最近，林等人。[24]实验研究了不同内径的微型闭环脉动热管的启动，结果表明：内径增大或热量减小 转移长度有利于闭环脉动热管的启动，基于推荐的内径和传热长度的最佳尺寸。Ji等人[25]实验研究了Al2O3纳米流体负载的闭环脉动热管的启动性能。有人认为，在闭环脉动热管中添加的Al2O3纳米粒子可以帮助启动振荡运动。
除了这些原始的实验研究外，还进行了几项涉及闭环脉动热管启动性能的理论研究。曲和马[26]建立了一个基于求解全球汽泡动力学方程的模型来分析闭环脉动热管的启动，发现具有毛细管内表面涂层或制造有空腔或粗糙度的闭环脉动热管可以很容易地启动。最近，刘和浩[17]提出了一个闭环脉动热管中汽液两相流动和传热的三维非稳态模型，同时考虑了汽液界面和凝结以及蒸发的过程。在此基础上，对闭环脉动热管启动过程中的流型转变和传热性能进行了数值研究，并对总蒸汽体积分数的快速增长进行了数值研究 被发现了。Soponpongpipat等人[27]利用可视化数据和热力学理论，建立了预测闭环脉动热管启动适宜温度的数学模型。在蒸发器温度固定且灌装比小的情况下，发现蒸发器和冷凝器之间有很大的温差是达到成功启动所必需的 对于较大的填充率，反之亦然。Cheng等人[28]提出了一维非定常模型来研究平板脉动热管的传热，发现重力的存在是一个扰动源，取决于平板脉动热管的加热方式，这可以帮助热管容易地启动振荡运动。
综上所述，近年来对启动性能进行了几次理论和实验研究。然而，对如此复杂的动态热响应仍然缺乏定量分析。对于动态行为分析，在控制理论中提出了许多常用的评价方法。令人惊讶的是，这些评价方法还没有被系统地应用于热管启动性能的定量分析中。因此，在对闭环脉动热管综合实验研究的基础上，介绍了系统识别理论（控制理论的重要组成部分），定量地表征了启动性能。通过这种方法，研究了填充比，倾角，热负荷，特别是工质热物理性质对启动性能的影响。此外，本研究还为闭环脉动热管启动的进一步仿真和控制设计提供了前提条件
