·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·