通道结构对脉动热管传热性能的影响研究

摘要

脉动热管是一种新型高性能传热设备，无传统热管的毛细芯结构，由包含蒸发和冷凝的毛细管或多个U形槽道组成。因其结构简单、易于加工制造、传热量高等特点，有着广泛的用途，在大功率LED散热方面有着很好的应用前景。脉动热管的通道直径较小，工作介质在通道内部形成间隔的汽弹和液弹，蒸发段和冷凝段的温度梯度引起的压差是液弹脉动的驱动力。由于脉动热管集显热传热传递和潜热传递于一体，管内复杂的汽液两相流致使目前其机理依然不是十分清晰。为此，许多学者针对影响脉动热管性能的影响因素展开了广泛研究。脉动热管中液弹的运动行为对其传热性能有着至关重要的影响作用，通过改善液弹的脉动状况可以有效提高脉动热管的工作效果。因此，本文基于改变脉动热管的通道结构来研究其影响作用。
　　本文在均一矩形通道结构热管研究的基础之上，设计加工了另外四种不同结构的脉动热管。在通道中引入了半圆形截面结构和不同水力直径的渐扩渐缩通道结构，完成了不同充液率条件下的可视化实验和传热实验。同时，设计了小型多通道双面矩形热管设备，研究了固定充液率条件下，倾斜角度对热管传热性能和启动性能的影响。通过以上研究，为提高脉动热管传热性能和不同安装环境下的适用性提供实验支持，并探索热管在大功率LED散热方向的应用可行性。
　　实验研究表明，矩形截面结构的脉动热管由于具有尖角结构，能够促进液弹的脉动并改善蒸发段的液体回流情况，因此具有更好的传热性能。渐扩渐缩通道中液体运动时受到两侧不同壁面的影响作用而出现非对称型汽液相界面，并促进了液体内部的掺混作用，同时蒸发段凹槽内液体的残留会减小干壁面积，促进液体蒸发。相比于1＃均一通道热管，3＃渐扩渐缩热管在充液率为30％、50％和70％时传热性能分别提高了4％～32％、4％～25％和6％～18％。然而，水力直径较小的4＃热管，液弹的受到较大的阻力作用，导致其传热性能变差。
　　针对双面矩形通道热管的研究发现，倾斜角度越大，重力在液弹运动方向上的分力越大，热管传热性能越好。加热功率越大，热管启动时间越短，稳定运动时的工作温度越高。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 脉动热管的工作原理

1．2 脉动热管的优点及应用

1．3 脉动热管的研究现状

1．3．1 影响脉动热管性能的因素

1．3．2 脉动热管可视化研究

1．3．3 流体通道内的流动性能研究

1．3．4 脉动热管的启动性能研究

1．4 LED发热原理及散热技术

1．4．1 LED结点温度的影响

1．4．2 LED散热技术现状

1．5 本文研究思路及主要内容

2 实验系统及数据处理方法

2．1 实验装置

2．2 脉动热管结构

2．3 实验操作方法

2．4 热管性能指标

2．6 实验误差分析

3 均一型通道结构脉动热管性能研究

3．1 可视化实验研究

3．2 传热性能实验研究

3．3 本章小结

4 渐扩渐缩结构对脉动热管性能的影响

4．1 可视化实验研究

4．1．1 渐扩渐缩通道结构对于液体流型的影响

4．1．2 渐扩渐缩通道结构对于液体脉动的影响

4．2 传热性能研究

4．2．1 渐扩渐缩结构对热阻的影响

4．2．2 渐扩渐缩结构对加热面温度的影响

4．3 本章小结

5 双面矩形热管的性能研究

5．1 倾斜角度对脉动热管传热性能的影响

5．2 不同加热功率下的启动实验研究

5．3 倾斜角度对脉动热管启动性能的研究

5．4 应用于大功率LED散热的研究

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢