脉动热管的理论研究与应用新进展

工程科学学报，第41卷，第9期：1115-1126,2019年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.9:1115-1126,September 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.002;http://journals.ustb.edu.cn 脉动热管的理论研究与应用新进展 厉青峰123)，王亚楠23)区，何鑫123》，练晨123)，李华123) 1)山东大学机械工程学院，济南2500612)山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南250061 3)山东大学机械工程国家级实验教学示范中心，济南250061 区通信作者，E-mail:wyn@sdu.cu.cn 摘要作为一种工作机理独特的新型传热装置，脉动热管具有极高的传热效率、较高的抗烧干能力、良好的环境适应性，且 结构简单、可变，成本较低，具有很高的实际应用价值，是目前传热技术领域的研究热点.本文在对脉动热管的优点、结构形式 和工作原理进行总体介绍的基础上，首先从理论建模研究入手归纳了目前研究中通常采用的直管、单弯头管、部分单弯头管 等结构模型和质量-弹簧-阻尼模型，质量、动量、能量方程模型以及其他数学模型，然后从实验可视化研究和计算可视化研究 两方面综述了脉动热管的运行过程、工作机理以及近年来国内外在脉动热管方面的最新研究进展，从启动性能、传热性能和 传热极限三方面系统介绍了管径、长度，截面形状、加热方式、充液率、倾斜角度、输入功率和工作流体种类等不同设计和使用 参数对脉动热管性能的影响.进一步从设计与应用方面，对脉动热管在电子设备、太阳能集热、动力装置热管理和低温环境换 热等方面的研究进行了综述，展示了脉动热管在实际应用中的效果和优势.最后对今后的研究方向与发展趋势进行了展望， 指出可通过更详细的理论和仿真建模研究脉动热管的工作机理、工作性能、工作过程和优化设计方法. 关键词脉动热管：理论建模：可视化分析：启动性能：传热性能：传热极限 分类号TK124 New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe LI Qing-feng23),WANG Ya-nan'2)HE Xin'2),LIAN Chen'2)LI Hua 2.3) 1)School of Mechanical Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China 2)Key Laboratory of High-Efficiency and Clean Mechanical Manufacture of Ministry of Education,Shandong University,Jinan 250061,China 3)National Demonstration Center for Experimental Mechanical Engineering Education,Shandong University,Jinan 250061,China Corresponding author,E-mail:wyn@sdu.edu.cn ABSTRACT As a new type of heat transfer device with a unique working mechanism,the pulsating heat pipe (PHP)has high heat transfer efficiency,high resistance capability to drying out,and good environmental adaptability.Its structure is simple and variable, and the cost is low.Thus,the pulsating heat pipe has a good value for practical application and is currently a research hotspot in the field of heat transfer technology.On the basis of the introduction of the general advantages,structure types,and working principle of the pulsating heat pipe,this study first summarized the structure models,such as the straight tube,single elbow tube,and partially single elbow tube,and the theoretical models,such as the mass-spring-damping model,mass-momentum-energy equation model, and other mathematical models,commonly used in the current theoretical modeling research.Then,the operational process,working mechanism,and latest research progress in pulsating heat pipes at home and abroad were reviewed from the aspects of experimental and computational visualization research.The influence of different design and use parameters,such as pipe diameter and length,shape of the section,heating method,filling rate,angle of inclination,input power,and type of working fluid,on the start-up performance, heat transfer performance,and heat transfer limit of the pulsating heat pipe was systematically introduced.Furthermore,from the de- sign and application perspectives,the research on pulsating heat pipes applied in electronic equipment,solar energy collection,thermal 收稿日期：2018-06-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51405269)：山东省自然科学基金资助项目(ZR2016EFM31,BS2014ZZ003)

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期:1115鄄鄄1126,2019 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 9: 1115鄄鄄1126, September 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 09. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 脉动热管的理论研究与应用新进展 厉青峰1,2,3) , 王亚楠1,2,3) 苣 , 何 鑫1,2,3) , 练 晨1,2,3) , 李 华1,2,3) 1) 山东大学机械工程学院, 济南 250061 2) 山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室, 济南 250061 3) 山东大学机械工程国家级实验教学示范中心, 济南 250061 苣通信作者, E鄄mail: wyn@ sdu. edu. cn 摘 要 作为一种工作机理独特的新型传热装置,脉动热管具有极高的传热效率、较高的抗烧干能力、良好的环境适应性,且 结构简单、可变,成本较低,具有很高的实际应用价值,是目前传热技术领域的研究热点. 本文在对脉动热管的优点、结构形式 和工作原理进行总体介绍的基础上,首先从理论建模研究入手归纳了目前研究中通常采用的直管、单弯头管、部分单弯头管 等结构模型和质量鄄鄄弹簧鄄鄄阻尼模型,质量、动量、能量方程模型以及其他数学模型,然后从实验可视化研究和计算可视化研究 两方面综述了脉动热管的运行过程、工作机理以及近年来国内外在脉动热管方面的最新研究进展,从启动性能、传热性能和 传热极限三方面系统介绍了管径、长度、截面形状、加热方式、充液率、倾斜角度、输入功率和工作流体种类等不同设计和使用 参数对脉动热管性能的影响. 进一步从设计与应用方面,对脉动热管在电子设备、太阳能集热、动力装置热管理和低温环境换 热等方面的研究进行了综述,展示了脉动热管在实际应用中的效果和优势. 最后对今后的研究方向与发展趋势进行了展望, 指出可通过更详细的理论和仿真建模研究脉动热管的工作机理、工作性能、工作过程和优化设计方法. 关键词 脉动热管; 理论建模; 可视化分析; 启动性能; 传热性能; 传热极限 分类号 TK124 收稿日期: 2018鄄鄄06鄄鄄27 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51405269);山东省自然科学基金资助项目(ZR2016EEM31, BS2014ZZ003) New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe LI Qing鄄feng 1,2,3) , WANG Ya鄄nan 1,2,3) 苣 , HE Xin 1,2,3) , LIAN Chen 1,2,3) , LI Hua 1,2,3) 1) School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China 2) Key Laboratory of High鄄Efficiency and Clean Mechanical Manufacture of Ministry of Education, Shandong University, Jinan 250061, China 3) National Demonstration Center for Experimental Mechanical Engineering Education, Shandong University, Jinan 250061, China 苣Corresponding author, E鄄mail: wyn@ sdu. edu. cn ABSTRACT As a new type of heat transfer device with a unique working mechanism, the pulsating heat pipe (PHP) has high heat transfer efficiency, high resistance capability to drying out, and good environmental adaptability. Its structure is simple and variable, and the cost is low. Thus, the pulsating heat pipe has a good value for practical application and is currently a research hotspot in the field of heat transfer technology. On the basis of the introduction of the general advantages, structure types, and working principle of the pulsating heat pipe, this study first summarized the structure models, such as the straight tube, single elbow tube, and partially single elbow tube, and the theoretical models, such as the mass鄄鄄spring鄄鄄 damping model, mass鄄鄄 momentum鄄鄄 energy equation model, and other mathematical models, commonly used in the current theoretical modeling research. Then, the operational process, working mechanism, and latest research progress in pulsating heat pipes at home and abroad were reviewed from the aspects of experimental and computational visualization research. The influence of different design and use parameters, such as pipe diameter and length, shape of the section, heating method, filling rate, angle of inclination, input power, and type of working fluid, on the start鄄up performance, heat transfer performance, and heat transfer limit of the pulsating heat pipe was systematically introduced. Furthermore, from the de鄄 sign and application perspectives, the research on pulsating heat pipes applied in electronic equipment, solar energy collection, thermal

·1116: 工程科学学报.第41卷，第9期 management of power unit,and heat exchange in low-temperature environment was reviewed,and the effects and advantages of pulsa- ting heat pipes in practical application were demonstrated.Finally,the future research directions and development trends were forecas- ted.It is pointed out that the working mechanism,working performance,working process,and optimization design method of pulsating heat pipes can be investigated through a more detailed theoretical and simulation modeling. KEY WORDS pulsating heat pipe;theoretical modeling;visualization analysis;start-up performance;heat transfer performance; heat transfer limit 随着电子半导体技术的进步，小型化和集成化 脉动热管的工作原理为：将一段长毛细管道弯 的发展趋势使电子设备单位面积的耗电量和发热量 曲后分别穿过高温端和低温端形成蒸发段和冷凝 大幅度增加，迫切需要加强高热导率传递装置的研 段，其余部分为绝热段.工作前将管内气体抽离至 究与应用).为了适应高热负荷、小空间和低成本 负压状态，然后充入工作流体，在表面张力的作用下 的工作和生产要求，发展高效率、被动式的冷却系统 形成在管内随机分布的液塞和气塞：工作时，由于蒸 是目前研究关注的热点[].而脉动热管是一种新型 发段吸收热量，冷凝段释放热量，导致液塞与气塞的 的传热装置，自从20世纪90年代被发明以来[)，由 膨胀、压缩和相互转化，并形成液塞振荡运动的驱动 于其独特的工作原理和优秀的传热性能受到研究者 力，将热量不断从蒸发段传导至冷凝段.工作过程 的广泛关注[4) 中涉及到液膜的蒸发和冷凝、工作流体同管壁接触 与传统热管相比，脉动热管有许多突出的优点： 角的动态变化、气泡的生长和结合以及核态沸腾等 (1)极高的传热效率.传统热管的传热效率通 现象.虽然脉动热管结构简单，但是管内热量和质 常为60%~70%，而脉动热管的最高传热效率可达 量传递过程中涉及的流体动力学与热力学的耦合使 909%[s1: 其工作机理非常复杂，很难通过单一的研究方法完 (2)较高的抗烧干能力.脉动热管的烧干现象 整揭示[8-] 通常先在单个或几个蒸发管段出现，然后再逐渐扩 正是由于脉动热管的上述特点，其工作机理和 散到整个蒸发段，因此具有延缓烧干的作用6； 传热性能一直都是研究者关注的重点.近年来有关 (3)良好的适应性.当热负荷的功率改变时，脉 脉动热管的研究进展可以大致分为理论建模研究、 动热管的工作模式也会发生变化.在一定的范围 可视化分析研究、性能影响因素研究和设计与应用 内，热负荷越大，循环流动性能越好，传热效率越高： 研究等几方面 (4)结构简单、可变，成本较低.脉动热管通常 为长毛细管状，可按工作环境需求弯曲成多种形状； 1理论建模研究 小内径（通常为0.5~3mm)和无管芯的结构有助于 按照结构形式，脉动热管可分为开放回路式、闭 降低制造成本] 合回路式和带单向阀的闭合回路式几种（图1）.脉 总的来说，脉动热管的传热效率高、环境适应能 动热管的理论建模研究主要集中在工作过程的理论 力强、占用空间小，结构简单、成本低廉且无污染，具 建模以及内部动力学特性和传热过程的分析方面. 有很高的实际应用价值 为了简化建模过程，通常仅研究单弯头管或部分单 图1脉动热管的结构形式[8].(a)开放回路式：(b)闭合回路式：()带单向阀的闭合回路式 Fig.1 Structures of pulsating heat pipes[s](a)open loop structure;(b)closed loop structure:(e)closed loop structure with check valve

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 management of power unit, and heat exchange in low鄄temperature environment was reviewed, and the effects and advantages of pulsa鄄 ting heat pipes in practical application were demonstrated. Finally, the future research directions and development trends were forecas鄄 ted. It is pointed out that the working mechanism, working performance, working process, and optimization design method of pulsating heat pipes can be investigated through a more detailed theoretical and simulation modeling. KEY WORDS pulsating heat pipe; theoretical modeling; visualization analysis; start鄄up performance; heat transfer performance; heat transfer limit 随着电子半导体技术的进步,小型化和集成化 的发展趋势使电子设备单位面积的耗电量和发热量 大幅度增加,迫切需要加强高热导率传递装置的研 究与应用[1] . 为了适应高热负荷、小空间和低成本 的工作和生产要求,发展高效率、被动式的冷却系统 是目前研究关注的热点[2] . 而脉动热管是一种新型 的传热装置,自从 20 世纪 90 年代被发明以来[3] ,由 于其独特的工作原理和优秀的传热性能受到研究者 的广泛关注[4] . 与传统热管相比,脉动热管有许多突出的优点: (1) 极高的传热效率. 传统热管的传热效率通 常为 60% ~ 70% ,而脉动热管的最高传热效率可达 90% [5] ; 图 1 脉动热管的结构形式[8] . (a) 开放回路式;(b)闭合回路式;(c)带单向阀的闭合回路式 Fig. 1 Structures of pulsating heat pipes [8] : (a) open loop structure; (b) closed loop structure; (c) closed loop structure with check valve (2)较高的抗烧干能力. 脉动热管的烧干现象 通常先在单个或几个蒸发管段出现,然后再逐渐扩 散到整个蒸发段,因此具有延缓烧干的作用[6] ; (3)良好的适应性. 当热负荷的功率改变时,脉 动热管的工作模式也会发生变化. 在一定的范围 内,热负荷越大,循环流动性能越好,传热效率越高; (4)结构简单、可变,成本较低. 脉动热管通常 为长毛细管状,可按工作环境需求弯曲成多种形状; 小内径(通常为 0郾 5 ~ 3 mm)和无管芯的结构有助于 降低制造成本[7] . 总的来说,脉动热管的传热效率高、环境适应能 力强、占用空间小,结构简单、成本低廉且无污染,具 有很高的实际应用价值. 脉动热管的工作原理为:将一段长毛细管道弯 曲后分别穿过高温端和低温端形成蒸发段和冷凝 段,其余部分为绝热段. 工作前将管内气体抽离至 负压状态,然后充入工作流体,在表面张力的作用下 形成在管内随机分布的液塞和气塞;工作时,由于蒸 发段吸收热量,冷凝段释放热量,导致液塞与气塞的 膨胀、压缩和相互转化,并形成液塞振荡运动的驱动 力,将热量不断从蒸发段传导至冷凝段. 工作过程 中涉及到液膜的蒸发和冷凝、工作流体同管壁接触 角的动态变化、气泡的生长和结合以及核态沸腾等 现象. 虽然脉动热管结构简单,但是管内热量和质 量传递过程中涉及的流体动力学与热力学的耦合使 其工作机理非常复杂,很难通过单一的研究方法完 整揭示[8鄄鄄9] . 正是由于脉动热管的上述特点,其工作机理和 传热性能一直都是研究者关注的重点. 近年来有关 脉动热管的研究进展可以大致分为理论建模研究、 可视化分析研究、性能影响因素研究和设计与应用 研究等几方面. 1 理论建模研究 按照结构形式,脉动热管可分为开放回路式、闭 合回路式和带单向阀的闭合回路式几种(图 1). 脉 动热管的理论建模研究主要集中在工作过程的理论 建模以及内部动力学特性和传热过程的分析方面. 为了简化建模过程,通常仅研究单弯头管或部分单 ·1116·

厉青峰等：脉动热管的理论研究与应用新进展 .1117· 弯头管，有时还简化为直管.所采用的理论模型主 0= 要有质量-弹簧-阻尼模型，质量、动量、能量方程模 2s(cos az -cos a)+r[(pL-py)g(s2-51)cos B-RPvoAT]VhLv 型以及其他模型等. RTor Cheng与Mauo]将脉动热管简化为直管，假定管 (1) 内为一维流动，气、液塞相间分布在管道中，通过理 式中：6为气液界面的表面张力，N;α为液塞与管壁 想气体状态方程和热力学第一定律建立了气塞的能 接触角，rad:r为管内半径，m;p为密度，kgm3;g 量守恒方程和液塞的动量方程，汇总后得到液塞和 为重力加速度，m·s2;s为高度，m;B为倾斜角度， 气塞的质量-弹簧-阻尼模型.通过推导得到液塞的 rad:R为气体常数：△T为蒸发段与冷凝段的温度 运行速度由蒸发段与冷凝段的温差决定，而固有振 差，K;V为体积，m3:hy为液相向气相转变时的相变 动频率随着液塞和气塞在管内的分布状态发生变 潜热，J·kg;t为加热时间，s.下标L、V分别表示 化.Gursel等)在质量-弹簧-阻尼模型中进一步 液塞和气塞，0表示参考值，1、2分别表示液塞左端 考虑了表面张力的影响，并通过实验对模型进行了 和右端. 验证 综上所述，目前所建立的理论模型可以从一定 Kim等2将脉动热管简化为U型管道，管道上 程度上解释脉动热管的工作机理并分析某些因素对 部为冷凝段，下部为蒸发段，气相位于管道的两端 性能的影响规律，但各种理论模型均对脉动热管的 (图2).通过牛顿第二定律建立液塞的动量方程以 结构、管内工质的状态和运行过程进行了一定的简 及气塞的能量和质量变化方程.通过计算发现，初 化和假设，很难对脉动热管的实际运行过程进行精 始状态时的工质分布和重力都是影响液塞振荡频 确完整的描述 率的重要因素.Dilawar与Pattamatta)在此基础 2可视化分析研究 上运用显示差分格式求解质量、动量和能量方程， 计算发现表面张力对工作流体的初始分布具有显 脉动热管的运行机理较为复杂，仅通过理论建 著影响. 模的方法难以完整揭示，而可视化分析可以定性观 察脉动热管的启动和运行过程，是理论建模研究的 塞1 气塞2 有益补充.根据研究手段的不同，这方面的研究又 可分为实验可视化研究和计算可视化研究两方面. 蒸发段 实验可视化研究是通过在玻璃管内充人工作流体的 方式直接观察管内介质的运行现象和规律：而计算 可视化研究则是借助仿真分析软件，根据结构参数 冷凝段 建立模型，模拟脉动热管的运行过程.早期的可视 化研究主要以实验为主，随着计算流体力学，尤其是 多相流理论和流体体积(VOF)方法的发展以及计 算机处理能力的提高，计算可视化研究受到了越来 图2简化为U型管的脉动热管模型2)] 越多的关注. Fig.2 Simplified pulsating heat pipe model of U-tube( 2.1实验可视化研究 i等[]假设单弯头脉动热管内部只有一个液 当脉动热管内刚充入工作液体时，在表面张力 塞和气塞，通过相变吸热方程和理想气体状态方程 的作用下，大部分液体以长液柱的形式沉在管道底 推导得到了如式(1)所示的脉动热管启动需要吸收 部，少部分分离成气塞和液塞，相间分布在管内6 的热量Q.通过式(1)可以发现，随着充液率的提 分离的液塞与管壁间形成接触角，气塞与管壁间生 高，启动所需的热量逐渐上升但存在极值：而倾斜角 成液膜]，如图3所示 度对启动热量的影响正好相反.Chiang等[s)建立 随着加热功率的增加，当蒸发段的温度达到相 了多弯头脉动热管的液塞-气塞动力学模型，研究 变点时，液体会吸热蒸发产生气泡，不断生长和结合 了脉动热管中液塞的位置随时间的变化情况.通过 的气泡受到管道截面的空间限制向两侧膨胀将长液 分析发现，当弯头数较少、充液率较低、工作温度较 柱截断，从而形成新的气塞和液塞1].由于液塞下 高、蒸发段与冷凝段的温差较大时，液塞具有更强的 部的气塞不断有气泡汇入使其压力增加，从而在液 振荡动力. 塞两端的气塞间产生压力差，推动液塞向冷凝段移

厉青峰等: 脉动热管的理论研究与应用新进展 弯头管,有时还简化为直管. 所采用的理论模型主 要有质量鄄鄄弹簧鄄鄄阻尼模型,质量、动量、能量方程模 型以及其他模型等. Cheng 与 Ma [10]将脉动热管简化为直管,假定管 内为一维流动,气、液塞相间分布在管道中,通过理 想气体状态方程和热力学第一定律建立了气塞的能 量守恒方程和液塞的动量方程,汇总后得到液塞和 气塞的质量鄄鄄弹簧鄄鄄阻尼模型. 通过推导得到液塞的 运行速度由蒸发段与冷凝段的温差决定,而固有振 动频率随着液塞和气塞在管内的分布状态发生变 化. G俟rsel 等[11] 在质量鄄鄄 弹簧鄄鄄 阻尼模型中进一步 考虑了表面张力的影响,并通过实验对模型进行了 验证. Kim 等[12]将脉动热管简化为 U 型管道,管道上 部为冷凝段,下部为蒸发段,气相位于管道的两端 (图 2). 通过牛顿第二定律建立液塞的动量方程以 及气塞的能量和质量变化方程. 通过计算发现,初 始状态时的工质分布和重力都是影响液塞振荡频 率的重要因素. Dilawar 与 Pattamatta [13] 在此基础 上运用显示差分格式求解质量、动量和能量方程, 计算发现表面张力对工作流体的初始分布具有显 著影响. 图 2 简化为 U 型管的脉动热管模型[12] Fig. 2 Simplified pulsating heat pipe model of U鄄tube [12] Li 等[14]假设单弯头脉动热管内部只有一个液 塞和气塞,通过相变吸热方程和理想气体状态方程 推导得到了如式(1)所示的脉动热管启动需要吸收 的热量 Q. 通过式(1) 可以发现,随着充液率的提 高,启动所需的热量逐渐上升但存在极值;而倾斜角 度对启动热量的影响正好相反. Chiang 等[15] 建立 了多弯头脉动热管的液塞鄄鄄 气塞动力学模型,研究 了脉动热管中液塞的位置随时间的变化情况. 通过 分析发现,当弯头数较少、充液率较低、工作温度较 高、蒸发段与冷凝段的温差较大时,液塞具有更强的 振荡动力. Q = {2着(cos 琢2 - cos 琢1 ) + r[(籽L - 籽V)g(s2 - s1 )cos 茁 - R籽V0驻T]}VVhLV RT0 rt (1) 式中:着 为气液界面的表面张力,N;琢 为液塞与管壁 接触角,rad;r 为管内半径,m;籽 为密度,kg·m - 3 ;g 为重力加速度,m·s - 2 ;s 为高度,m;茁 为倾斜角度, rad;R 为气体常数;驻T 为蒸发段与冷凝段的温度 差,K;V 为体积,m 3 ;hLV为液相向气相转变时的相变 潜热,J·kg - 1 ;t 为加热时间,s. 下标 L、V 分别表示 液塞和气塞,0 表示参考值,1、2 分别表示液塞左端 和右端. 综上所述,目前所建立的理论模型可以从一定 程度上解释脉动热管的工作机理并分析某些因素对 性能的影响规律,但各种理论模型均对脉动热管的 结构、管内工质的状态和运行过程进行了一定的简 化和假设,很难对脉动热管的实际运行过程进行精 确完整的描述. 2 可视化分析研究 脉动热管的运行机理较为复杂,仅通过理论建 模的方法难以完整揭示,而可视化分析可以定性观 察脉动热管的启动和运行过程,是理论建模研究的 有益补充. 根据研究手段的不同,这方面的研究又 可分为实验可视化研究和计算可视化研究两方面. 实验可视化研究是通过在玻璃管内充入工作流体的 方式直接观察管内介质的运行现象和规律;而计算 可视化研究则是借助仿真分析软件,根据结构参数 建立模型,模拟脉动热管的运行过程. 早期的可视 化研究主要以实验为主,随着计算流体力学,尤其是 多相流理论和流体体积(VOF) 方法的发展以及计 算机处理能力的提高,计算可视化研究受到了越来 越多的关注. 2郾 1 实验可视化研究 当脉动热管内刚充入工作液体时,在表面张力 的作用下,大部分液体以长液柱的形式沉在管道底 部,少部分分离成气塞和液塞,相间分布在管内[16] . 分离的液塞与管壁间形成接触角,气塞与管壁间生 成液膜[17] ,如图 3 所示. 随着加热功率的增加,当蒸发段的温度达到相 变点时,液体会吸热蒸发产生气泡,不断生长和结合 的气泡受到管道截面的空间限制向两侧膨胀将长液 柱截断,从而形成新的气塞和液塞[18] . 由于液塞下 部的气塞不断有气泡汇入使其压力增加,从而在液 塞两端的气塞间产生压力差,推动液塞向冷凝段移 ·1117·

·1118. 工程科学学报，第41卷，第9期 在形式分为塞状流、半环状流、环状流和烧干等几 类[2】.在上述过程中，液塞由于蒸发作用会越来越 小，而液塞两端的气塞逐渐融合在一起形成长短不 0接触角 一的气塞，最终管内融合为一个气塞，气塞与管壁之 间通过液膜传热；工质运动状态的转移过程可以分 气塞 为：未振荡状态一间歇振荡状态一持续振荡单向循 环状态一循环流动状态一烧干状态 工质运动状态的转变会使脉动热管表面的温度 液膜 呈现出不同的变化规律，从而使管壁温度成为辨识 图3接触角和液膜 脉动热管内工质运动状态的重要依据[]，通过管壁 Fig.3 Contact angle and liquid film 的温度可以定性的分析管内的流动状态和潜在的热 行为[2].同时在工质形式和运动状态的转变过程 动[19].工质移动过程中与管壁换热使气塞的内部 中，也会出现一些特定的现象，如蒸发段的核态沸 压力下降，造成运动速度下降：然后又通过吸收蒸发 腾[25]和气塞间的液桥[26]等 段传来的热量，为下次运动积攒能量，从而导致管内 2.2计算可视化研究 的液塞上、下往复移动，工质处于振荡状态（图4中 计算可视化研究是基于计算流体力学中的两相 液塞随着时间的增加从位置A运动到位置B又运 流理论和VOF(volume of fluid)方法进行的.VOF 动到位置C)[].脉动热管为循环管路，每个平行 方法将流体分为多个分析域并在各分析域上定义 管道内的液塞都被推向冷凝段并相互挤压：由于各 气、液两相的体积分数入，各分析域的密度P、导热系 个管段的受热和散热情况不完全一致，这种相互挤 数k与动力黏度μ可以通过如式(2)中所示的单纯 压的状态最终被打破，形成工质在管内持续振荡的 气相和液相的密度、单纯气相和液相的导热系数、单 单向循环流动状态 纯气相和液相的动力黏度分别与体积分数的乘积得 流动方向 到.将以上参数代入控制方程并求解，可以得到气、 位置A 液两相的体积分数随时间变化的函数，并根据该函 数跟踪气、液界面的移动情况和气、液两相工作参数 的变化情况27) P=APL +Avpy 位置B k=入k+入vkv (2) w=入L+入v 通过仿真计算能够更加清楚的观察到脉动热管 在整个运行周期内管内工质存在形式的变化，如气 位置C 泡的生长、结合以及气塞的断裂过程.Pouryoussefi 4 流动方向 与Zhang'2-30通过建立脉动热管的三维计算流体动 图4工质在管内的振荡运动[20] 力学(CFD)模型仿真计算了管内工质在一定的加热 Fig.4 Oscillatory motion of the working medium in the tube(20] 功率下，工作状态从启动到稳定运行过程中的变化 随着功率的进一步增加，运动所需的能量能够 情况，如图5所示.随着时间的增加，气泡首先在蒸 更快速的补充，液塞的振荡状态逐渐消失，工质处于 发段出现，并最终形成循环的塞状流模式.在整个 循环流动状态.当功率到达一定值时，气泡在蒸发 过程中，蒸发段的气泡逐渐生长、结合，而冷凝段 段急速生成，造成蒸发段与冷凝段的压力差变大，冷 的气塞则发生了断裂.Wang等[3]也在仿真计算 凝介质不能及时返回蒸发段，导致蒸发段完全被气 中观察到了气塞的产生和合并过程.如图6所示， 体占据，工质以塞状流（靠近冷凝段）和环状流（靠 在A气泡附近首先出现了核态沸腾现象，气泡沿 近蒸发段)并存的半环状流形式存在：随着加热功 着运动方向逐渐生长、汇集成气塞B,然后形成更 率的增加，塞状流和环状流的平衡位置逐渐向冷凝 大的气塞C. 段移动，最终导致环状流占据整个脉动热管，即工质 通过参数化建模和导入用户自定义函数可以方 烧干2].因此文献中一般将脉动热管中工质的存 便的改变结构参数和工质的物性参数，从而分析这

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 图 3 接触角和液膜 Fig. 3 Contact angle and liquid film 动[19] . 工质移动过程中与管壁换热使气塞的内部 压力下降,造成运动速度下降;然后又通过吸收蒸发 段传来的热量,为下次运动积攒能量,从而导致管内 的液塞上、下往复移动,工质处于振荡状态(图 4 中 液塞随着时间的增加从位置 A 运动到位置 B 又运 动到位置 C) [20] . 脉动热管为循环管路,每个平行 管道内的液塞都被推向冷凝段并相互挤压;由于各 个管段的受热和散热情况不完全一致,这种相互挤 压的状态最终被打破,形成工质在管内持续振荡的 单向循环流动状态. 图 4 工质在管内的振荡运动[20] Fig. 4 Oscillatory motion of the working medium in the tube [20] 随着功率的进一步增加,运动所需的能量能够 更快速的补充,液塞的振荡状态逐渐消失,工质处于 循环流动状态. 当功率到达一定值时,气泡在蒸发 段急速生成,造成蒸发段与冷凝段的压力差变大,冷 凝介质不能及时返回蒸发段,导致蒸发段完全被气 体占据,工质以塞状流(靠近冷凝段)和环状流(靠 近蒸发段)并存的半环状流形式存在;随着加热功 率的增加,塞状流和环状流的平衡位置逐渐向冷凝 段移动,最终导致环状流占据整个脉动热管,即工质 烧干[21] . 因此文献中一般将脉动热管中工质的存 在形式分为塞状流、半环状流、环状流和烧干等几 类[22] . 在上述过程中,液塞由于蒸发作用会越来越 小,而液塞两端的气塞逐渐融合在一起形成长短不 一的气塞,最终管内融合为一个气塞,气塞与管壁之 间通过液膜传热;工质运动状态的转移过程可以分 为:未振荡状态—间歇振荡状态—持续振荡单向循 环状态—循环流动状态—烧干状态. 工质运动状态的转变会使脉动热管表面的温度 呈现出不同的变化规律,从而使管壁温度成为辨识 脉动热管内工质运动状态的重要依据[23] ,通过管壁 的温度可以定性的分析管内的流动状态和潜在的热 行为[24] . 同时在工质形式和运动状态的转变过程 中,也会出现一些特定的现象,如蒸发段的核态沸 腾[25]和气塞间的液桥[26]等. 2郾 2 计算可视化研究 计算可视化研究是基于计算流体力学中的两相 流理论和 VOF( volume of fluid) 方法进行的. VOF 方法将流体分为多个分析域并在各分析域上定义 气、液两相的体积分数 姿,各分析域的密度 籽、导热系 数 k 与动力黏度 滋 可以通过如式(2)中所示的单纯 气相和液相的密度、单纯气相和液相的导热系数、单 纯气相和液相的动力黏度分别与体积分数的乘积得 到. 将以上参数代入控制方程并求解,可以得到气、 液两相的体积分数随时间变化的函数,并根据该函 数跟踪气、液界面的移动情况和气、液两相工作参数 的变化情况[27] . 籽 = 姿L 籽L + 姿V 籽V k = 姿L kL + 姿V kV 滋 = 姿L 滋L + 姿V滋 ì î í ïï ïï V (2) 通过仿真计算能够更加清楚的观察到脉动热管 在整个运行周期内管内工质存在形式的变化,如气 泡的生长、结合以及气塞的断裂过程. Pouryoussefi 与 Zhang [28鄄鄄30]通过建立脉动热管的三维计算流体动 力学(CFD)模型仿真计算了管内工质在一定的加热 功率下,工作状态从启动到稳定运行过程中的变化 情况,如图 5 所示. 随着时间的增加,气泡首先在蒸 发段出现,并最终形成循环的塞状流模式. 在整个 过程中,蒸发段的气泡逐渐生长、结合,而冷凝段 的气塞则发生了断裂. Wang 等[31] 也在仿真计算 中观察到了气塞的产生和合并过程. 如图 6 所示, 在 A 气泡附近首先出现了核态沸腾现象,气泡沿 着运动方向逐渐生长、汇集成气塞 B,然后形成更 大的气塞 C. 通过参数化建模和导入用户自定义函数可以方 便的改变结构参数和工质的物性参数,从而分析这 ·1118·

厉青峰等：脉动热管的理论研究与应用新进展 .1119. 综上所述，脉动热管内的工质具有复杂的运动 和存在形式，在不同工况下还会相互转化，通过可视 Nn 化实验可以清晰准确的观察到工质在整个工作周期 内的运动、存在形式和转化过程：借助计算流体力学 和热力学分析工具，目前已经可以对脉动热管的工 作过程进行较为精确的仿真，但仿真计算工作主要 集中在启动和振荡循环过程阶段. t=2.5s 3性能影响因素研究 nn 脉动热管的主要性能包括启动性能、传热性能 和传热极限等.而管径、长度、截面形状、加热方式、 充液率、倾斜角度、输入功率和工作流体种类等参数 均可以对上述性能指标产生影响.通过深入研究这 些因素对脉动热管性能的影响规律，可以进一步提 高脉动热管的工作性能，充分发挥其应用潜力 图5管内工质随时间的变化情况] 3.1启动性能 Fig.5 Variations of the working medium in the pipe with time 脉动热管的启动性能主要以启动所需时间的长 短、启动所需的最低热流量（或启动所需的输入功 率)和启动完成时的温度为基本指标.启动所需时 间越短、启动所需的最低热流量越少、启动完成时的 流动方向 温度越低，启动性能越好.当脉动热管的温度曲线 由不断上升转变为持续振荡状态时，标志着启动 完成[35]. 脉动热管的结构设计和使用工况会对启动性能 气塞C 0 产生很大影响.Lin等[6]通过实验研究了不同内径 气塞B 和总长度的脉动热管在水平和垂直状态下的启动性 能，发现随着内径的增加和总长度的减小，启动所需 的时间和启动所需的输入功率逐渐降低.在垂直加 气塞A 热条件下的脉动热管更容易启动.Wang等[3)分别 在脉动热管的蒸发段、绝热段和冷凝段加入瓦楞结 构，在不同输人功率下测试得到了启动所需时间 图6气塞的产生和合并过程[3] (图7).结果表明脉动热管的启动时间随着输入功 Fig.6 Generation and merging process of the gas plug] 率的增加而减少：位于蒸发段上的瓦楞结构增加了 些参数对脉动热管性能的影响.E等[2-]在仿真计 传热接触面积，因此启动性能最好.Riehl与dos 算过程中观察了工质的流动状态和气塞的合并过 Santos[]研究了加热位置对脉动热管启动性能的影 程，并与实验结果进行了对比，二者具有良好的一致 响，发现顶部加热和底部加热所需的启动功率和启 性.研究发现管内高压区总是出现在蒸发段，低压 动时间相同，但采用底部加热的启动温度比顶部加 区总是出现在冷凝段，且两端压力差越小、绝热段管 热低10℃，且启动完成后的温度更加平稳.Thomp- 径越小，气塞与液塞的分布越均匀，脉动热管的传热 son等[]通过实验发现在相同的输入功率下，增加 效率越高，且越容易达到循环流动状态.唐恺与陈 加热面积可以有效减少脉动热管对倾斜角度的敏感 曦[4]通过仿真计算发现，管内工质的物性参数随温 性，且小倾斜角度下的启动性能也更好 度和压力的变化会影响气、液塞的长度及其在管内 脉动热管中工质的变化也会改变其启动性能. 的分布：同时由于气体的密度和动力黏度远小于液 Vema等[o]通过实验研究了工作液体的种类和充 体，在具有较多气体的上升管段内，工质的移动速度 液率对脉动热管启动性能的影响.结果表明当去离 要比具有较多液体的下降管段大. 子水充液率为50%，甲醇充液率为40%时，启动所

厉青峰等: 脉动热管的理论研究与应用新进展 图 5 管内工质随时间的变化情况[29] Fig. 5 Variations of the working medium in the pipe with time [29] 图 6 气塞的产生和合并过程[31] Fig. 6 Generation and merging process of the gas plug [31] 些参数对脉动热管性能的影响. E 等[32鄄鄄33]在仿真计 算过程中观察了工质的流动状态和气塞的合并过 程,并与实验结果进行了对比,二者具有良好的一致 性. 研究发现管内高压区总是出现在蒸发段,低压 区总是出现在冷凝段,且两端压力差越小、绝热段管 径越小,气塞与液塞的分布越均匀,脉动热管的传热 效率越高,且越容易达到循环流动状态. 唐恺与陈 曦[34]通过仿真计算发现,管内工质的物性参数随温 度和压力的变化会影响气、液塞的长度及其在管内 的分布;同时由于气体的密度和动力黏度远小于液 体,在具有较多气体的上升管段内,工质的移动速度 要比具有较多液体的下降管段大. 综上所述,脉动热管内的工质具有复杂的运动 和存在形式,在不同工况下还会相互转化,通过可视 化实验可以清晰准确的观察到工质在整个工作周期 内的运动、存在形式和转化过程;借助计算流体力学 和热力学分析工具,目前已经可以对脉动热管的工 作过程进行较为精确的仿真,但仿真计算工作主要 集中在启动和振荡循环过程阶段. 3 性能影响因素研究 脉动热管的主要性能包括启动性能、传热性能 和传热极限等. 而管径、长度、截面形状、加热方式、 充液率、倾斜角度、输入功率和工作流体种类等参数 均可以对上述性能指标产生影响. 通过深入研究这 些因素对脉动热管性能的影响规律,可以进一步提 高脉动热管的工作性能,充分发挥其应用潜力. 3郾 1 启动性能 脉动热管的启动性能主要以启动所需时间的长 短、启动所需的最低热流量(或启动所需的输入功 率)和启动完成时的温度为基本指标. 启动所需时 间越短、启动所需的最低热流量越少、启动完成时的 温度越低,启动性能越好. 当脉动热管的温度曲线 由不断上升转变为持续振荡状态时,标志着启动 完成[35] . 脉动热管的结构设计和使用工况会对启动性能 产生很大影响. Lin 等[36]通过实验研究了不同内径 和总长度的脉动热管在水平和垂直状态下的启动性 能,发现随着内径的增加和总长度的减小,启动所需 的时间和启动所需的输入功率逐渐降低. 在垂直加 热条件下的脉动热管更容易启动. Wang 等[37] 分别 在脉动热管的蒸发段、绝热段和冷凝段加入瓦楞结 构,在不同输入功率下测试得到了启动所需时间 (图 7). 结果表明脉动热管的启动时间随着输入功 率的增加而减少;位于蒸发段上的瓦楞结构增加了 传热接触面积,因此启动性能最好. Riehl 与 dos Santos [38]研究了加热位置对脉动热管启动性能的影 响,发现顶部加热和底部加热所需的启动功率和启 动时间相同,但采用底部加热的启动温度比顶部加 热低 10 益 ,且启动完成后的温度更加平稳. Thomp鄄 son 等[39]通过实验发现在相同的输入功率下,增加 加热面积可以有效减少脉动热管对倾斜角度的敏感 性,且小倾斜角度下的启动性能也更好. 脉动热管中工质的变化也会改变其启动性能. Verma 等[40]通过实验研究了工作液体的种类和充 液率对脉动热管启动性能的影响. 结果表明当去离 子水充液率为 50% ,甲醇充液率为 40% 时,启动所 ·1119·

·1120· 工程科学学报，第41卷，第9期 300r 0.8 ·一常规脉动热管 FR=40% 250 。一蒸发段加瓦楞结构 ◆一绝热段加瓦楞结构 一冷凝段加瓦愣结构 0.6 200 FR=50% 1S0 100 0.2 FR=60% 50 10 15 202530354045 60 70 80 90 100 输人功率W 蒸发段温度℃ 图7脉动热管在不同输人功率下的启动时间3列] 图8充液率对脉动热管热阻的影响[4)] Fig.7 Start-up time of the pulsating heat pipe at different input pow- Fig.8 Effect of filling ratio on the thermal resistance of the pulsating ers(3] heat pipe[ 需的输入功率最小：在最佳充液率下，甲醇的启动速 阻，提高传热性能).Tseng等[o1将二分之一的绝 度更快，启动完成时的温度也更低.王宇与李惟 热段管路改为椭圆形截面并进行了实验测试，结果 毅[4)通过实验研究了单环路脉动热管在不同充液 表明与圆形截面、均一管径的脉动热管相比，具有椭 率下的启动性能，发现在50%及70%的充液率下脉 圆形截面的管路能够产生额外的不平衡压力分布， 动热管能够顺利启动：而当充液率较低时(30%)， 使工作流体更容易循环运动，因此热阻更小，传热效 需要施加局部热扰动才能启动. 率更高.李孝军等将截面改为当量直径为2.82 除了上述因素外，工作介质的相变点[]、相变 mm的梯形微槽道（图9），发现微槽道的毛细作用 潜热[4]和表面张力[4]的变化也会对脉动热管的启 有利于冷凝液体向蒸发段的回流，其热阻比3.4、 动性能造成影响.以纳米流体作为工质的脉动热 4.0和4.8mm的圆形截面脉动热管分别下降了 管4s46也是近几年研究的热点之一. 41.7%、35.6%和30.9%.Xu等27通过在圆形截 3.2传热性能 面的蒸发段管内嵌入矩形细槽降低了脉动热管在高 传热性能可以用脉动热管在相同的热流量输入 输入功率下的热阻 下传输的热量来衡量.传热效率和热阻是传热性能 的常用评价指标，其中传热效率是输出热流量与输 入热流量之比，传热效率越高，脉动热管的传热性能 越好：热阻是蒸发段和冷凝段的温差与输入热流量 之比，热阻越小，管内滞留的热量越少，脉动热管的 传热性能越好 图9梯形截面微槽道[51) 充液率对于脉动热管的传热性能具有显著影 Fig.9 Microchannel with trapezoidal section(51] 响.当充液率在理想范围内时，脉动热管的传热性 除了截面形状以外，还有一些结构设计和使用 能最好；充液率过低时，管内气体较多，可供蒸发的 因素也会影响其传热性能.Pastukhov与Maydan- 液体较少，极易出现烧干现象：充液率过高时，管内 k[2]通过试验发现带单向阀的脉动热管更容易实 液体较多，导致驱动力较小，工质不易达到循环流动 现定向循环流动，传热效率也更高.Aboutalebi 状态.Pak等[们研究了充液率对脉动热管热阻的 等[]将脉动热管固定在离心机上，通过施加角速度 影响，结果表明当充液率(FR)为60%时，产生的液 模拟重力场，发现脉动热管旋转产生的离心力使介 塞最多，从蒸发段带到冷凝段的热量也最多，热阻最 质更容易返回蒸发段，从而降低了热阻.管壁的亲 小，如图8所示.Shi与Pam4s]通过实验发现充液率 水性也会对脉动热管的传热性能产生影响[4-5] 范围在35%~70%时，脉动热管的热阻较小.当充 采用纳米流体作为工质也有助于提高脉动热管 液率低于10%时，脉动热管无法启动：随着加热功 的传热性能.Mohammadi等s6]通过改变磁性纳米 率的增加，最佳充液率也随之变化 流体的浓度和磁场的安放位置研究了脉动热管传热 改变通道的截面形状可以降低脉动热管的热 性能的变化.实验表明磁性纳米流体可以降低脉动

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 图 7 脉动热管在不同输入功率下的启动时间[37] Fig. 7 Start鄄up time of the pulsating heat pipe at different input pow鄄 ers [37] 需的输入功率最小;在最佳充液率下,甲醇的启动速 度更快,启动完成时的温度也更低. 王宇与李惟 毅[41]通过实验研究了单环路脉动热管在不同充液 率下的启动性能,发现在 50% 及 70% 的充液率下脉 动热管能够顺利启动;而当充液率较低时(30% ), 需要施加局部热扰动才能启动. 除了上述因素外,工作介质的相变点[42] 、相变 潜热[43]和表面张力[44]的变化也会对脉动热管的启 动性能造成影响. 以纳米流体作为工质的脉动热 管[45鄄鄄46]也是近几年研究的热点之一. 3郾 2 传热性能 传热性能可以用脉动热管在相同的热流量输入 下传输的热量来衡量. 传热效率和热阻是传热性能 的常用评价指标,其中传热效率是输出热流量与输 入热流量之比,传热效率越高,脉动热管的传热性能 越好;热阻是蒸发段和冷凝段的温差与输入热流量 之比,热阻越小,管内滞留的热量越少,脉动热管的 传热性能越好. 充液率对于脉动热管的传热性能具有显著影 响. 当充液率在理想范围内时,脉动热管的传热性 能最好;充液率过低时,管内气体较多,可供蒸发的 液体较少,极易出现烧干现象;充液率过高时,管内 液体较多,导致驱动力较小,工质不易达到循环流动 状态. Park 等[47] 研究了充液率对脉动热管热阻的 影响,结果表明当充液率(FR)为 60% 时,产生的液 塞最多,从蒸发段带到冷凝段的热量也最多,热阻最 小,如图 8 所示. Shi 与 Pan [48]通过实验发现充液率 范围在 35% ~ 70% 时,脉动热管的热阻较小. 当充 液率低于 10% 时,脉动热管无法启动;随着加热功 率的增加,最佳充液率也随之变化. 改变通道的截面形状可以降低脉动热管的热 图 8 充液率对脉动热管热阻的影响[47] Fig. 8 Effect of filling ratio on the thermal resistance of the pulsating heat pipe [47] 阻,提高传热性能[49] . Tseng 等[50] 将二分之一的绝 热段管路改为椭圆形截面并进行了实验测试,结果 表明与圆形截面、均一管径的脉动热管相比,具有椭 圆形截面的管路能够产生额外的不平衡压力分布, 使工作流体更容易循环运动,因此热阻更小,传热效 率更高. 李孝军等[51] 将截面改为当量直径为 2郾 82 mm 的梯形微槽道(图 9),发现微槽道的毛细作用 有利于冷凝液体向蒸发段的回流,其热阻比 3郾 4、 4郾 0 和 4郾 8 mm 的圆形截面脉动热管分别下降了 41郾 7% 、35郾 6% 和 30郾 9% . Xu 等[27] 通过在圆形截 面的蒸发段管内嵌入矩形细槽降低了脉动热管在高 输入功率下的热阻. 图 9 梯形截面微槽道[51] Fig. 9 Microchannel with trapezoidal section [51] 除了截面形状以外,还有一些结构设计和使用 因素也会影响其传热性能. Pastukhov 与 Maydan鄄 ik [52]通过试验发现带单向阀的脉动热管更容易实 现定 向 循 环 流 动, 传 热 效 率 也 更 高. Aboutalebi 等[53]将脉动热管固定在离心机上,通过施加角速度 模拟重力场,发现脉动热管旋转产生的离心力使介 质更容易返回蒸发段,从而降低了热阻. 管壁的亲 水性也会对脉动热管的传热性能产生影响[54鄄鄄55] . 采用纳米流体作为工质也有助于提高脉动热管 的传热性能. Mohammadi 等[56] 通过改变磁性纳米 流体的浓度和磁场的安放位置研究了脉动热管传热 性能的变化. 实验表明磁性纳米流体可以降低脉动 ·1120·

厉青峰等：脉动热管的理论研究与应用新进展 ·1121· 热管的热阻.当进一步施加磁场时，热阻还会随着 发段造成的，但增加冷凝段的长度却无法起到延缓 磁场安放位置的不同而发生变化.Taslimifar等[s) 烧干的作用.这主要是由于当冷凝段较长时，气塞 指出，与去离子水相比，低浓度的铁磁纳米流体可以 容易冷却融合为液塞，导致管内气相工质较少而液 减小脉动热管稳定状态下的热阻，但高浓度的铁磁 相工质较多，造成循环流动的动力不足，因此液塞难 流体反而会增大热阻 以快速返回至蒸发段，更容易引起烧干现象的 3.3传热极限 发生[0] 传热极限是指脉动热管烧干时输入的热流量， 纳米流体不仅可以提高脉动热管的启动性能和 热流量越大，传热极限越高.烧干是由于蒸发段受 传热性能，也可以提高其抗烧干能力.Karthikeyan 热温度过高，产生的气体不能及时冷却，液体不能及 等[6们通过实验对比了去离子水与纳米流体的传热 时回流造成的.此时蒸发段完全被气体占据，造成 极限，发现当加热功率达到180W时，去离子水完全 气压过高，液体在冷凝段不能回流到蒸发段，导致蒸 烧干，温度急剧上升：而纳米粒子则增加了工质的导 发段的温度急剧升高，传热效率快速下降.当开始 热性和核态沸腾点，有助于热量的快速消散，直至加 烧干时，脉动热管即达到传热极限5].由于蒸发段 热功率达到240W才完全烧干，传热极限增加了 的温度与管内工质的存在形式密切相关，因此可以 33.3%(图10).此外，使用混合工质[]和自湿润流 通过观察蒸发段的温度判断工质的烧干状态s9] 体[63-64]等也可以提高脉动热管的传热极限，延缓烧 虽然烧干是由于冷凝的液体无法及时补充至蒸 干现象的出现 160 160 (a) (b) 烧干三 140 140 120 2120 602 100 100 80 80 60 40 1000200030004000500060007000 1000200030004000500060007000 加热时间/s 加热时间s 图10去离子水(a)与纳米流体(b)的传热极限[6] Fig.10 Heat transfer limits of deionized water (a)and nanofluids (b)1] 重力可促进冷凝液体的回流，从而延缓烧干 曲线.从图中可以看出，当倾斜角度从0°开始增 现象的出现[s).Saha等[66]根据实验数据绘制了 加时，传热极限也逐步增加，直至70°时达到最大， 脉动热管工质的流动状态变化图（图11），其中 然后又逐渐下降.在较低或较高的充液率下，烧干 横坐标为输入的热流量，纵坐标为倾斜角度，曲 都会提前出现，而理想的充液率范围在30%~ 线A、B、C为状态转移间隔线，D曲线为烧干极限 70%之间 综上所述，目前在脉动热管的性能影响因素方 10- 烧干曲线D 面已经进行了大量的研究，分析了各种设计和使用 未流动 振荡的塞状流动 参数对脉动热管启动性能、传热性能和传热极限的 FR R FR 影响规律，但主要集中在单一因素对单一性能的影 0%-1009% 109%-90% 20%-80% 响方面 塞状流向环状 流转换 环状流 4设计与应用研究 0 FR 曲线 曲线B 30%-70% 由于脉动热管优秀的传热性和良好的适应性， 曲线C 已经在电子设备、太阳能集热、动力装置热管理等多 归一化输入热流量 种领域得到了实际应用.如图l2所示，Kearney 图11 工质流动状态变化图] 等[6将板式脉动热管镶嵌在印制电路板(PCB)中， Fig.11 Flow variation chart of the working medium(] 采用非导电性的全氟乙基异丙基酮作为工作流体

厉青峰等: 脉动热管的理论研究与应用新进展 热管的热阻. 当进一步施加磁场时,热阻还会随着 磁场安放位置的不同而发生变化. Taslimifar 等[57] 指出,与去离子水相比,低浓度的铁磁纳米流体可以 减小脉动热管稳定状态下的热阻,但高浓度的铁磁 流体反而会增大热阻. 3郾 3 传热极限 传热极限是指脉动热管烧干时输入的热流量, 热流量越大,传热极限越高. 烧干是由于蒸发段受 热温度过高,产生的气体不能及时冷却,液体不能及 时回流造成的. 此时蒸发段完全被气体占据,造成 气压过高,液体在冷凝段不能回流到蒸发段,导致蒸 发段的温度急剧升高,传热效率快速下降. 当开始 烧干时,脉动热管即达到传热极限[58] . 由于蒸发段 的温度与管内工质的存在形式密切相关,因此可以 通过观察蒸发段的温度判断工质的烧干状态[59] . 虽然烧干是由于冷凝的液体无法及时补充至蒸 发段造成的,但增加冷凝段的长度却无法起到延缓 烧干的作用. 这主要是由于当冷凝段较长时,气塞 容易冷却融合为液塞,导致管内气相工质较少而液 相工质较多,造成循环流动的动力不足,因此液塞难 以快速返回至蒸发段, 更容易引起烧干现象的 发生[60] . 纳米流体不仅可以提高脉动热管的启动性能和 传热性能,也可以提高其抗烧干能力. Karthikeyan 等[61]通过实验对比了去离子水与纳米流体的传热 极限,发现当加热功率达到 180 W 时,去离子水完全 烧干,温度急剧上升;而纳米粒子则增加了工质的导 热性和核态沸腾点,有助于热量的快速消散,直至加 热功率达到 240 W 才完全烧干,传热极限增加了 33郾 3% (图 10). 此外,使用混合工质[62]和自湿润流 体[63鄄鄄64]等也可以提高脉动热管的传热极限,延缓烧 干现象的出现. 图 10 去离子水 (a)与纳米流体(b)的传热极限[61] Fig. 10 Heat transfer limits of deionized water (a) and nanofluids (b) [61] 图 11 工质流动状态变化图[66] Fig. 11 Flow variation chart of the working medium [66] 重力可促进冷凝液体的回流,从而延缓烧干 现象的出现[65] . Saha 等[66] 根据实验数据绘制了 脉动热管工质的流动状态变化图( 图 11 ) ,其中 横坐标为输入的热流量,纵坐标为倾斜角度,曲 线 A、B、C 为状态转移间隔线,D 曲线为烧干极限 曲线. 从图中可以看出,当倾斜角度从 0毅开始增 加时,传热极限也逐步增加,直至 70毅时达到最大, 然后又逐渐下降. 在较低或较高的充液率下,烧干 都会提前出现,而理想的充液率范围在 30% ~ 70% 之间. 综上所述,目前在脉动热管的性能影响因素方 面已经进行了大量的研究,分析了各种设计和使用 参数对脉动热管启动性能、传热性能和传热极限的 影响规律,但主要集中在单一因素对单一性能的影 响方面. 4 设计与应用研究 由于脉动热管优秀的传热性和良好的适应性, 已经在电子设备、太阳能集热、动力装置热管理等多 种领域得到了实际应用. 如图 12 所示, Kearney 等[67]将板式脉动热管镶嵌在印制电路板(PCB)中, 采用非导电性的全氟乙基异丙基酮作为工作流体, ·1121·

·1122 工程科学学报，第41卷，第9期 通过实验发现其传热效率是铜板的12.5倍，热阻仅 收的热量和冷凝段放出的热量都高于单个脉动 为0.2K.W-1.Dang等6s]为数据中心设计了一套 热管 热传递系统，服务器附近的热气体被风扇沿着矩形 管道输送到板式脉动热管的蒸发段，再通过脉动热 管传递至冷凝段散热，从而将整个数据中心的温度 均匀的维持在一定范围内.Lǖ等[]将脉动热管应 反射 用在功率为100W的LED灯组上（图13），可使其 维持在70℃附近，满足了工作要求.李志等[0在相 似的应用中发现LED灯组的功率每增加10W,脉动 玻璃罩 热管蒸发段的稳定温度平均增加9℃，不同功率下 空气间隙 吸热板 —PHP 蒸发段的温度差可维持在2.5℃以内. 于绝缘 图14脉动热管在太阳能热水器上的应用[] Fig.14 Application of pulsating heat pipes in solar water heaters【a] Burban等[7]将脉动热管应用到混合动力汽车 的发动机散热器上（图15），通过台架实验研究了不 同工况下的散热性能.结果表明脉动热管具有较高 的稳定性，在不同的发动机温度、倾斜角度和行驶速 度下都能正常启动.员冬玲等]在实验中发现，将 脉动热管用于发动机散热器时，其散热性能要好于 图12脉动热管在印制电路板上的应用6] 铜质管带式散热器，且风阻更小.Manno等[]将板 Fig.12 Application of pulsating heat pipes in PCB(7] 式脉动热管应用在纯电动汽车的电池热管理系统 中，计算了电池组在不同的输出功率和倾斜角度下 的散热性能，结果表明在10~100W的电芯输出功 率下，板式脉动热管能够将电池温度始终维持在工 作范围内.Clement与Wang]将脉动热管的蒸发 段插入燃料电池堆的两极板内，研究了不同输出功 率下电池堆表面的温度情况，实验发现当电池堆功 率在一定范围内变化时，脉动热管能够维持恒定的 温度 图13脉动热管在LED灯组上的应用（例] Fig.13 Application of pulsating heat pipes in LED light groups] Arab等[]将6弯头脉动热管的蒸发段嵌入到 太阳能热水器的集热器里，冷凝段放置在水箱内. 实验发现其能量利用率可达到53.79%，而传统太 阳能水热器的能量利用率通常仅为30%左右 Nguyen等m在此基础上将弯头数量改为8，发现 效率可进一步提升至62%.Kargarsharifabad等[3】 在脉动热管的蒸发段上安装了有助于吸收太阳能 的黑色集热板（图14），使其能量利用率提高至 66%.Nuntaphan等7a]将脉动热管缠绕在换热器 图15脉动热管在混合动力汽车上的应用[6] 的管道外壁上，使其热交换率提高了10%.刘建 Fig.15 Application of pulsating heat pipes in hybrid electric vehi- 红等[]将两个脉动热管组合形成了耦合式脉动热 cles[76] 管换热器，发现在相同的热源温度下，从蒸发段吸 此外，通过在管内充入低临界转换温度的工质

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 通过实验发现其传热效率是铜板的 12郾 5 倍,热阻仅 为 0郾 2 K·W - 1 . Dang 等[68] 为数据中心设计了一套 热传递系统,服务器附近的热气体被风扇沿着矩形 管道输送到板式脉动热管的蒸发段,再通过脉动热 管传递至冷凝段散热,从而将整个数据中心的温度 均匀的维持在一定范围内. L俟 等[69] 将脉动热管应 用在功率为 100 W 的 LED 灯组上(图 13),可使其 维持在 70 益附近,满足了工作要求. 李志等[70]在相 似的应用中发现 LED 灯组的功率每增加 10 W,脉动 热管蒸发段的稳定温度平均增加 9 益 ,不同功率下 蒸发段的温度差可维持在 2郾 5 益以内. 图 12 脉动热管在印制电路板上的应用[67] Fig. 12 Application of pulsating heat pipes in PCB [67] 图 13 脉动热管在 LED 灯组上的应用[69] Fig. 13 Application of pulsating heat pipes in LED light groups [69] Arab 等[71]将 6 弯头脉动热管的蒸发段嵌入到 太阳能热水器的集热器里,冷凝段放置在水箱内. 实验发现其能量利用率可达到 53郾 79% ,而传统太 阳能水热器的能量利用率通常仅为 30% 左右. Nguyen 等[72]在此基础上将弯头数量改为 8,发现 效率可进一步提升至 62% . Kargarsharifabad 等[73] 在脉动热管的蒸发段上安装了有助于吸收太阳能 的黑色集热板( 图 14 ) ,使其能量利用率提高至 66% . Nuntaphan 等[74] 将脉动热管缠绕在换热器 的管道外壁上,使其热交换率提高了 10% . 刘建 红等[75]将两个脉动热管组合形成了耦合式脉动热 管换热器,发现在相同的热源温度下,从蒸发段吸 收的热量和冷凝段放出的热量都高于单个脉动 热管. 图 14 脉动热管在太阳能热水器上的应用[73] Fig. 14 Application of pulsating heat pipes in solar water heaters [73] Burban 等[76]将脉动热管应用到混合动力汽车 的发动机散热器上(图 15),通过台架实验研究了不 同工况下的散热性能. 结果表明脉动热管具有较高 的稳定性,在不同的发动机温度、倾斜角度和行驶速 度下都能正常启动. 员冬玲等[77] 在实验中发现,将 脉动热管用于发动机散热器时,其散热性能要好于 铜质管带式散热器,且风阻更小. Manno 等[78] 将板 式脉动热管应用在纯电动汽车的电池热管理系统 中,计算了电池组在不同的输出功率和倾斜角度下 的散热性能,结果表明在 10 ~ 100 W 的电芯输出功 率下,板式脉动热管能够将电池温度始终维持在工 作范围内. Clement 与 Wang [79] 将脉动热管的蒸发 段插入燃料电池堆的两极板内,研究了不同输出功 率下电池堆表面的温度情况,实验发现当电池堆功 率在一定范围内变化时,脉动热管能够维持恒定的 温度. 图 15 脉动热管在混合动力汽车上的应用[76] Fig. 15 Application of pulsating heat pipes in hybrid electric vehi鄄 cles [76] 此外,通过在管内充入低临界转换温度的工质, ·1122·

厉青峰等：脉动热管的理论研究与应用新进展 ·1123· 还可以将脉动热管应用在低温环境下，使装置内部 mal performance of three-dimensional oscillating heat pipe.Int J 的温度保持稳定[0-81] Heat Mass Transfer,2017,109:589 综上所述，脉动热管具有较高的传热性能和良 [5]Leu T S,Wu C H.Experimental studies of surface modified oscil. lating heat pipes.Heat Mass Transfer,2017,53(11):3329 好的环境适应性，已经在不同的工业领域得到了应 [6]Mameli M,Araneo L,Filippeschi S,et al.Thermal response of a 用.由于脉动热管的性能影响因素较多，使用环境 closed loop pulsating heat pipe under a varying gravity force.Int J 又复杂多样，因此需要结合实际应用场合进行脉动 Therm Sci,2014,80:11 热管的设计和优化. [7]Kim J,Kim S J.Experimental investigation on the effect of the condenser length on the thermal performance of a micro pulsating 5总结与展望 heat pipe.Appl Therm Eng,2018,130:439 [8]Han X H,Wang X H,Zheng H C,et al.Review of the develop- 通过以上对近年来脉动热管的最新研究与应用 ment of pulsating heat pipe for heat dissipation.Renecable Sus- 进展情况的回顾可以看出，脉动热管具有优秀的传 tainable Energy Rev,2016,59:692 热性能和复杂的工作机理，并且随着研究工作的不 [9]Nikolayev V S.Effect of tube heat conduction on the single branch 断发展和深入，已逐渐开始在工业生产领域得到应 pulsating heat pipe start-up.Int Heat Mass Transfer,2016,95: 用.但是还有一些关键技术问题需要进一步研究和 477 解决： [10]Cheng P,Ma H B.A mathematical model of an oscillating heat (1)目前所建立的理论模型对实际结构进行了 pipe.Heat Transfer Eng,2011,32(11-12):1037 [11]Gursel G,Frijns A J H,Homburg F G A,et al.A mass-spring- 大量的简化和假设，难以完整分析脉动热管的实际 damper model of a pulsating heat pipe with a non-uniform and 工作过程和各种参数对脉动热管性能的影响：需要 asymmetric filling.Appl Therm Eng,2015,91:80 建立更加详细的理论模型研究脉动热管的工作 [12]Kim S,Zhang Y W,Choi J.Effects of fluctuations of heating and 机理 cooling section temperatures on performance of a pulsating heat (2)目前对于脉动热管的仿真计算工作主要 pipe.Appl Therm Eng,2013,58(1-2):42 集中在启动和振荡循环过程阶段.随着计算流体 [13]Dilawar M,Pattamatta A.A parametric study of oscillatory two- phase flows in a single turn pulsating heat pipe using a non-iso- 力学理论和技术的不断发展和完善，可以对脉动 thermal vapor model.Appl Therm Eng,2013,51(1-2):1328 热管的实际工作过程进行更加完整和精确的模拟 [14]Li M N,Huang R J,Xu D,et al.Theoretical analysis of start-up 和分析. power in helium pulsating heat pipe//OP Conference Series: (3)在当前的性能影响因素研究中，通常仅考 Materials Science and Engineering,2017,171:012102 虑单一因素的变化对单一性能的影响，其变化也通 [15]Chiang C M,Chien K H,Chen H M,et al.Theoretical study of 常是离散的，而在实际结构中，不仅脉动热管的各项 oscillatory phenomena in a horizontal closed-loop pulsating heat 性能相互耦合，各参数之间也常常相互耦合并且连 pipe with asymmetrical arrayed minichannel.Int Commun Heat Mass Transfer,2012,39(7):923 续变化，需要更加深人、系统的研究不同因素对脉动 [16]Chen Y Q,Wu H Y.Experimental investigation on an atypical 热管性能的影响. oscillation in silicon-based micro-pulsating heat pipes.J Eng (4)脉动热管的工作原理复杂，影响参数多样， Thermophys,2013,34(9):1727 导致其设计难度较大.随着脉动热管在实际应用中 (陈娅琪，吴慧英.微型振荡热管非典型振荡的实验研究 的不断推广，迫切需要研究脉动热管的优化设计方 工程热物理学报，2013,34(9)：1727) 法，并开发专用软件进行脉动热管的辅助设计. [17]Mameli M,Marengo M,Khandekar S.Local heat transfer meas- urement and thermo-fluid characterization of a pulsating heat 参考文献 pipe.Int J Therm Sci,2014,75:140 [18]Hu W N,Zhou C P,Cui F L,et al.Numerical simulation of a [1]Fairley J D.Thompson M,Anderson D.Time-frequeney analy- single-loop flat plate pulsating heat pipe under unidirectional flow sis of flat-plate oscillating heat pipes.Int/Therm Sci,2015,91: condition.Cryo Supercond,2017,45(2):27 113 (胡伟男，周春鹏，崔付龙，等。单环路平板脉动热管定向循 [2]Patel V M,Gaurav,Mehta H B.Influence of working fluids on st- 环的数值研究.低温与超导，2017,45(2)：27) artup mechanism and thermal performance of a closed loop pulsa- [19]Wang Y X,Ding X Y.Performance study for new type of three- ting heat pipe.Appl Therm Eng,2017,110:1568 dimensional pulsating heat pipe.Chem Ind Eng Prog,2016,35 [3]Akachi H.Structure of a Heat Pipe:U.S.Patent,4921041. (8):2367 1990-5-1 (王亚雄，丁样云.新型三维脉动热管的性能.化工进展 [4]Qu J,Zhao JT.Rao Z H.Experimental investigation on the ther- 2016,35(8):2367)

厉青峰等: 脉动热管的理论研究与应用新进展 还可以将脉动热管应用在低温环境下,使装置内部 的温度保持稳定[80鄄鄄81] . 综上所述,脉动热管具有较高的传热性能和良 好的环境适应性,已经在不同的工业领域得到了应 用. 由于脉动热管的性能影响因素较多,使用环境 又复杂多样,因此需要结合实际应用场合进行脉动 热管的设计和优化. 5 总结与展望 通过以上对近年来脉动热管的最新研究与应用 进展情况的回顾可以看出,脉动热管具有优秀的传 热性能和复杂的工作机理,并且随着研究工作的不 断发展和深入,已逐渐开始在工业生产领域得到应 用. 但是还有一些关键技术问题需要进一步研究和 解决: (1)目前所建立的理论模型对实际结构进行了 大量的简化和假设,难以完整分析脉动热管的实际 工作过程和各种参数对脉动热管性能的影响;需要 建立更加详细的理论模型研究脉动热管的工作 机理. (2)目前对于脉动热管的仿真计算工作主要 集中在启动和振荡循环过程阶段. 随着计算流体 力学理论和技术的不断发展和完善,可以对脉动 热管的实际工作过程进行更加完整和精确的模拟 和分析. (3)在当前的性能影响因素研究中,通常仅考 虑单一因素的变化对单一性能的影响,其变化也通 常是离散的,而在实际结构中,不仅脉动热管的各项 性能相互耦合,各参数之间也常常相互耦合并且连 续变化,需要更加深入、系统的研究不同因素对脉动 热管性能的影响. (4)脉动热管的工作原理复杂,影响参数多样, 导致其设计难度较大. 随着脉动热管在实际应用中 的不断推广,迫切需要研究脉动热管的优化设计方 法,并开发专用软件进行脉动热管的辅助设计. 参 考 文 献 [1] Fairley J D, Thompson S M, Anderson D. Time鄄鄄frequency analy鄄 sis of flat鄄plate oscillating heat pipes. Int J Therm Sci, 2015, 91: 113 [2] Patel V M, Gaurav, Mehta H B. Influence of working fluids on st鄄 artup mechanism and thermal performance of a closed loop pulsa鄄 ting heat pipe. Appl Therm Eng, 2017, 110: 1568 [3] Akachi H. Structure of a Heat Pipe: U. S. Patent, 4921041. 1990鄄鄄5鄄鄄1 [4] Qu J, Zhao J T, Rao Z H. Experimental investigation on the ther鄄 mal performance of three鄄dimensional oscillating heat pipe. Int J Heat Mass Transfer, 2017, 109: 589 [5] Leu T S, Wu C H. Experimental studies of surface modified oscil鄄 lating heat pipes. Heat Mass Transfer, 2017, 53(11): 3329 [6] Mameli M, Araneo L, Filippeschi S, et al. Thermal response of a closed loop pulsating heat pipe under a varying gravity force. Int J Therm Sci, 2014, 80: 11 [7] Kim J, Kim S J. Experimental investigation on the effect of the condenser length on the thermal performance of a micro pulsating heat pipe. Appl Therm Eng, 2018, 130: 439 [8] Han X H, Wang X H, Zheng H C, et al. Review of the develop鄄 ment of pulsating heat pipe for heat dissipation. Renewable Sus鄄 tainable Energy Rev, 2016, 59: 692 [9] Nikolayev V S. Effect of tube heat conduction on the single branch pulsating heat pipe start鄄up. Int J Heat Mass Transfer, 2016, 95: 477 [10] Cheng P, Ma H B. A mathematical model of an oscillating heat pipe. Heat Transfer Eng, 2011, 32(11鄄12): 1037 [11] G俟rsel G, Frijns A J H, Homburg F G A, et al. A mass鄄spring鄄 damper model of a pulsating heat pipe with a non鄄uniform and asymmetric filling. Appl Therm Eng, 2015, 91: 80 [12] Kim S, Zhang Y W, Choi J. Effects of fluctuations of heating and cooling section temperatures on performance of a pulsating heat pipe. Appl Therm Eng, 2013, 58(1鄄2): 42 [13] Dilawar M, Pattamatta A. A parametric study of oscillatory two鄄 phase flows in a single turn pulsating heat pipe using a non鄄iso鄄 thermal vapor model. Appl Therm Eng, 2013, 51(1鄄2): 1328 [14] Li M N, Huang R J, Xu D, et al. Theoretical analysis of start鄄up power in helium pulsating heat pipe / / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, 171: 012102 [15] Chiang C M, Chien K H, Chen H M, et al. Theoretical study of oscillatory phenomena in a horizontal closed鄄loop pulsating heat pipe with asymmetrical arrayed minichannel. Int Commun Heat Mass Transfer, 2012, 39(7): 923 [16] Chen Y Q, Wu H Y. Experimental investigation on an atypical oscillation in silicon鄄based micro鄄pulsating heat pipes. J Eng Thermophys, 2013, 34(9): 1727 (陈娅琪, 吴慧英. 微型振荡热管非典型振荡的实验研究. 工程热物理学报, 2013, 34(9): 1727) [17] Mameli M, Marengo M, Khandekar S. Local heat transfer meas鄄 urement and thermo鄄fluid characterization of a pulsating heat pipe. Int J Therm Sci, 2014, 75: 140 [18] Hu W N, Zhou C P, Cui F L, et al. Numerical simulation of a single鄄loop flat plate pulsating heat pipe under unidirectional flow condition. Cryo Supercond, 2017, 45(2): 27 (胡伟男, 周春鹏, 崔付龙, 等. 单环路平板脉动热管定向循 环的数值研究. 低温与超导, 2017, 45(2): 27) [19] Wang Y X, Ding X Y. Performance study for new type of three鄄 dimensional pulsating heat pipe. Chem Ind Eng Prog, 2016, 35 (8): 2367 (王亚雄, 丁祥云. 新型三维脉动热管的性能. 化工进展, 2016, 35(8): 2367) ·1123·

·1124. 工程科学学报，第41卷，第9期 [20]Lips S,Bensalem A,Bertin Y,et al.Experimental evidences of 程，2015(4)：4) distinct heat transfer regimes in pulsating heat pipes (PHP).Ap- [35]Hu C F,Jia L.Experimental study on the start up performance of pl Therm Eng,2010,30(8-9):900 flat plate pulsating heat pipe.J Therm Sci,2011,20(2):150 [21]She W X,Li W Y,Pan L S.Experiment study on visualization [36]Lin Z R,Wang S F,Chen JJ,et al.Experimental study on ef- and start-up performance of closed loop plate pulsating heat pipe fective range of miniature oscillating heat pipes.Appl Therm Eng, with parallel channels.J Mech Eng,2014,50(4):155 2011.31(5):880 (史维秀，李惟毅，潘利生。多通路并联回路板式脉动热管 [37]Wang J S,Ma H,Zhu Q,et al.Numerical and experimental in- 可视化及启动性能试验研究.机械工程学报，2014,50(4)： vestigation of pulsating heat pipes with corrugated configuration. 155) Appl Therm Eng,2016,102:158 [22]Karthikeyan V K,Ramachandran K,Pillai B C,et al.Under- [38]Riehl RR,dos Santos N.Water-copper nanofluid application in standing thermo-fluidic characteristics of a glass tube closed loop an open loop pulsating heat pipe.Appl Therm Eng,2012,42:6 pulsating heat pipe:flow patterns and fluid oscillations.Heat [39]Thompson S M,Cheng P,Ma H B.An experimental investiga- Mass Transfer,2015,51(12):1669 tion of a three-dimensional flat-plate oscillating heat pipe with [23]Liu X D.Wang C.Chen Y P.Analysis of operation and heat staggered microchannels.Int Heat Mass Transfer,2011,54 transfer characteristics in pulsating heat pipe based on infrared (17-18):3951 thermal imaging technology.CIESC J,2016,67(4):1129 [40]Verma B,Yadav V L,Srivastava KK.Experimental studies on (刘向东，王超，陈永平.基于红外热成像的脉动热管运行 thermal performance of a pulsating heat pipe with methanol/DI 及传热特性分析.化工学报，2016,67(4)：1129) water.J Electron Cool Therm Control,2013,3:27 [24]Karthikeyan V K,Khandekar S,Pillai BC,et al.Infrared ther- [41]Wang Y,Li W Y.Influence of filling ratio on startup and opera- mography of a pulsating heat pipe:Flow regimes and multiple tion of a single loop pulsating heat pipe.Proc CSEE,2011.31 steady states.Appl Therm Eng,2014,62(2):470 (17):79 [25]Qu J,Wu H Y,Cheng P.Start-up,heat transfer and flow char- (王宇，李推毅.充液率对单环路脉动热管启动运行的影响. acteristics of silicon-based micro pulsating heat pipes.Int Heat 中国电机工程学报，2011,31(17)：79) Mass Transfer,2012,55(21-22):6109 [42]Wang X,Li D.Li YZ.Heat transfer characteristics of pulsating [26]Qu J,Wu H Y.Flow visualization of silicon-based micro pulsa- heat pipe with aqueous methanol as working fluid.Chem Ind Eng ting heat pipes.Sci China Technol Sci,2010,53(4):984 Pog,2014,33(12):3170 [27]Xu D H,Chen T F,Xuan Y M.Thermo-hydrodynamics analysis (王迅，李达，李云昭.甲醇水溶液脉动热管的传热特性.化 of vapor-liquid two-phase flow in the flat-plate pulsating heat 工进展，2014,33(12)：3170) pipe.Int Commun Heat Mass Transfer,2012,39(4):504 [43]Liang QQ,Hao TT,Wang K,et al.Effect of ionic liquid on [28]Pouryoussefi M,Zhang Y W.Nonlinear analysis of chaotic flow the startup and operation performance of the pulsating heat pipe. in a three-dimensional closed-loop pulsating heat pipe.IHeat J Eng Thermophys,2016,37(12):2680 Transfer,2016,138(12):122003 (梁倩卿，郝婷婷，王凯，等.离子液体对脉动热管启动与运 [29]Pouryoussefi S M,Zhang Y W.Numerical investigation of chaotic 行的影响.工程热物理学报，2016,37(12)：2680) flow in a 2D closed-loop pulsating heat pipe.Appl Therm Eng. [44]Cai J C,Wang R X,Xu R J,et al.Influence of SDBS on start 2016,98:617 time and heat transfer performance of pulsating heat pipe.ClESC [30]Pouryoussefi M,Zhang Y W.Analysis of chaotic flow in a 2D J,2016,67(5):1852 multi-turn closed-loop pulsating heat pipe.Appl Therm Eng, (蔡骥驰，王瑞祥，徐荣吉，等.SDS对铜-水脉动热管启动 2017,126:1069 及传热性能影响.化工学报，2016,67(5)：1852) [31]Wang JS,Ma H,Zhu Q.Effects of the evaporator and condens- [45]Jia H W,Jia L,Tan Z T.An experimental investigation on heat er length on the performance of pulsating heat pipes.Appl Therm transfer performance of nanofluid pulsating heat pipe.Therm Eng,2015,91:1018 S,2013.22(5):484 [32]E J Q,Zhao X H,Deng Y W,et al.Pressure distribution and [46]Ji Y L,Ma H B,Su F M,et al.Particle size effect on heat flow characteristics of closed oscillating heat pipe during the start- transfer performance in an oscillating heat pipe.Exp Therm Fluid ing process at different vacuum degrees.Appl Therm Eng,2016, Sc,2011.35(4):724 93:166 [47]Park Y h,Tanshen M R,Nine M J,et al.Characterizing pres- [33]E JQ,Zhao X H,Liu H L,et al.Field synergy analysis for en- sure fluctuation into single-loop oscillating heat pipe.Cent hancing heat transfer capability of a novel narrow-tube closed os- South Univ,2012,19(9):2578 cillating heat pipe.Appl Energy,2016.175:218 [48]Shi W X,Pan L S.Influence of filling ratio and working fluid [34]Tang K,Chen X.Numerical simulation of vapor-liquid two-phase thermal properties on starting up and heat transferring perform- flow in a cryogenic pulsating heat pipe.Energy Eng,2015(4): ance of closed loop plate oscillating heat pipe with parallel chan- nels.J Therm Sci,2017,26(1):73 (唐恺，陈曦.低温脉动热管气液两相流数值模拟.能源工 [49]Sun Q,Qu J,Yuan J P.Heat transfer performance comparison of

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 [20] Lips S, Bensalem A, Bertin Y, et al. Experimental evidences of distinct heat transfer regimes in pulsating heat pipes (PHP). Ap鄄 pl Therm Eng, 2010, 30(8鄄9): 900 [21] She W X, Li W Y, Pan L S. Experiment study on visualization and start鄄up performance of closed loop plate pulsating heat pipe with parallel channels. J Mech Eng, 2014, 50(4): 155 (史维秀, 李惟毅, 潘利生. 多通路并联回路板式脉动热管 可视化及启动性能试验研究. 机械工程学报, 2014, 50(4): 155) [22] Karthikeyan V K, Ramachandran K, Pillai B C, et al. Under鄄 standing thermo鄄fluidic characteristics of a glass tube closed loop pulsating heat pipe: flow patterns and fluid oscillations. Heat Mass Transfer, 2015, 51(12): 1669 [23] Liu X D, Wang C, Chen Y P. Analysis of operation and heat transfer characteristics in pulsating heat pipe based on infrared thermal imaging technology. CIESC J, 2016, 67(4): 1129 (刘向东, 王超, 陈永平. 基于红外热成像的脉动热管运行 及传热特性分析. 化工学报, 2016, 67(4): 1129) [24] Karthikeyan V K, Khandekar S, Pillai B C, et al. 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