刘建红+商福民
摘 要：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。
关键词：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，因有良好的可视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。
1.2 数学模型
本文采用的混合模型（Mixture Model）是多相流模型的一種简化，可以模拟计算两相或多相流中各相以不同速度运动的流体问题。通过求解混合相的连续性方程、第二相的体积分数方程，以及相对速度的代数表示来实现多相流体的模拟计算。
守恒方程：
2 计算结果的分析与讨论
2.1 不同时刻气相体体积分数分布云图
图2中分别为Mixture模型在1s、5s、10s时的气相体体积分数分布云图，从图中可以看出：在1s时刻只在在脉动热管的加热段和冷凝段有明显的气相存在，其他位置还是液相存在，随着加热的进行，气相逐渐充斥在脉动的各个部分，气液两相互相夹带，混合流动，5s时刻气液两相相互夹带、混合流动，随时间增加在10s时刻，气泡增多，逐渐聚合成长，液相与气相逐渐分离，形成液塞与气柱，在流动过程中液塞与气柱交替出现，形成活塞式流动，并且逐渐达到稳定。说明随着时间的进行，液相无水乙醇在脉动热管的蒸发段吸收热量，迅速气化并膨胀，压力增大，向冷凝段运动并被冷凝释放出热量，压力降低，使冷热端形成很大的压差，促使脉动热管内的无水乙醇产生强烈的往复振荡流动，往往频率也大，释放的热量就会越多。
2.2 不同时刻气相体积分数比较
图3为不同时刻气相体积分数沿脉动热管中轴线分布均呈水波形状，波峰位置显为气塞所在位置，波谷为液塞所在位置，说明脉动热管内形成明显的汽-液柱塞交错分布，另外从图中可以看出在1s时刻脉动热管内已经呈现震荡现象，这也是脉动热管的一大优点，热传递迅速。相对其他时刻，10s时刻气体体积分数上升的波峰区间更广，且波峰较高，振荡频率增大，说明此时脉动热管内气液相应经呈现剧烈的往复振荡流动。
2.3 不同时刻气相速度云图比较
图4中分别为Mixture模型在不同时刻气相速度等值线在脉动热管内分布，通过比较可以明显看出1s时刻气相在脉动热管中间部分气相速度很小，而在脉动热管的冷凝段达到最大，说明气相在冷凝段迅速冷凝释放出气化潜热，随着时间的进行，5s时刻和10s时刻气相的速度场变化不大，气相速度云图逐渐充斥整个脉动热管段，并趋于均与分布，说明脉动热管在很短的时间内达到稳定的振荡流动。
2.4 不同时刻间气体速度比较
图5为Mixture模型在不同时刻的气相速度沿脉动热管中轴线分布，可以看出不同时刻的速度曲线均呈波动形状，10s时刻的波形图最为稳定，几乎呈现对称分布，说明此时脉动热管内呈现稳定的气液两相交替存在，并往复运动。从1s到5s气体速度明显增长，在第5s时刻气相速度曲线就已基本达到稳定。
3 结束语
本文采用Mixture模型对脉动热管内的流动和传热现象进行了数值研究，通过脉动热管内的气相的体积分数云图和气相速度云图分析得出，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。
参考文献
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作者简介：刘建红（1979-），女，汉族，硕士研究生，主要从强化传热，传热传质流动的数值模拟与实验研究工作。
