熱管最初是由美國國家航空航天局(NASA)開發(fā)的,它是有效的換熱器,用于冷卻太空中的小型電子設(shè)備,而如今,它們不僅可以用于手機(jī)到CPU的電子設(shè)備的冷卻,也可以用于能源?工業(yè)等領(lǐng)域的廢熱回收?熱管由密封管組成,管中裝有一定量的飽和工作流體?當(dāng)熱管的一端有熱量輸入將導(dǎo)致熱管內(nèi)的工作流體沸騰,發(fā)生相變,在密度差的作用下以蒸汽形式朝熱管的較冷端運(yùn)動,在該處冷凝并釋放出在蒸發(fā)器部分吸收的潛熱,從而完成熱循環(huán)?由于熱管在其整個長度上基本溫度恒定并且具有很高的有效導(dǎo)熱率,因此熱管被稱為超導(dǎo)體,它的有效電導(dǎo)率很容易比固態(tài)金屬的純導(dǎo)電率高幾個數(shù)量級?電子應(yīng)用中使用的小型熱管配備有多孔芯結(jié)構(gòu),只要管的兩側(cè)之間存在溫度差異,它們就可以在任何方向上工作?但是,有的熱管不需要燈芯也可正常工作?只要蒸發(fā)器段位于冷凝器段的下方,冷凝物工作流體就會通過重力被推回到蒸發(fā)器中?因此,這種無芯熱管也稱為重力熱管或兩相閉式熱虹吸管?當(dāng)用作廢熱回收設(shè)備時,配備有熱虹吸管的熱交換器(TSHE)具有許多優(yōu)點(diǎn),例如,無需向系統(tǒng)輸入額外的功率,降低了交叉污染的風(fēng)險并且沒有活動部件,易于清潔等?

由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高,通過CFD對熱管進(jìn)行仿真是一個相對新穎的研究領(lǐng)域,CFD使得可以模擬熱管內(nèi)的相變過程以及熱管的工作過程,為熱管的理論研究與實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展提供了便利條件?Alizadehdakhel等,和Fadhl等都使用CFD版本Fluent中的自定義體積分?jǐn)?shù)(VOF)代碼成功地對熱虹吸管進(jìn)行了建模,描述了二維研究,并證明了該軟件能夠模擬單個熱管在蒸發(fā)和冷凝過程中的相變過程,現(xiàn)在,相同的方法已成功應(yīng)用于3D模型中,以模擬熱管中的間歇沸騰?間歇沸騰通常發(fā)生在低熱量輸入下,這是因?yàn)槌跏紩r期會在液體主體下方形成大量的汽化氣泡?當(dāng)氣泡和液體主體之間的壓力差變得太大時,液體會噴射到熱虹吸管的頂部?

Hughes等人進(jìn)行了三維數(shù)值研究,模擬了水平定向熱管內(nèi)的多相流動?用于穩(wěn)態(tài)條件?在這項(xiàng)研究中,使用了具有傳熱和傳質(zhì)耦合的多相流?為了預(yù)測熱管的性能,通過實(shí)驗(yàn)研究確定了熱交換器的效率?在相同操作條件下,CFD模型的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間發(fā)現(xiàn)了很好的相關(guān)性?

Selma等使用OpenFOAM(一種開放式CFD版本)設(shè)計(jì)了配備熱管的熱交換器的工作模型,以提高現(xiàn)有模型的能效?創(chuàng)建了圍繞管道的外部流的三維模擬,并將管道的外壁用作從工業(yè)實(shí)踐中收集到的恒定溫度邊界條件?

Peng等進(jìn)行了CFD研究,研究了鰭片形狀對電子冷卻中使用的鰭片式熱管的空氣側(cè)傳熱性能的影響?模擬僅集中在空氣側(cè),并且CFD模型的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在15%以內(nèi)?

Han和Zou提出了熱管換熱器的數(shù)學(xué)模型?他們的設(shè)備用于空氣到空氣的熱傳遞,該模型利用“有效度-傳遞單位數(shù)”(ε-NTU)方法計(jì)算冷熱地區(qū)的溫度場?

Ramos等應(yīng)用數(shù)值研究了基于橫流熱管的熱交換器?他們研究了水與空氣之間的傳熱,其中流動不被認(rèn)為是兩相的,熱管被認(rèn)為是固體,具有相當(dāng)大的導(dǎo)熱系數(shù)?該系數(shù)的值是從實(shí)驗(yàn)中獲得的?他們的數(shù)值解的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差大約10%?此外,Abdollah等應(yīng)用數(shù)值研究了熱管換熱器對空冷冷凝器的影響,結(jié)果表明,通過用熱管對空氣進(jìn)行預(yù)冷,壓縮機(jī)的能耗降低了31%?他們認(rèn)為熱管的外表面由于傳熱系數(shù)高而具有恒定的溫度?

CFD還可以通過計(jì)算允許最短響應(yīng)時間和最低熱阻的數(shù)量來計(jì)算熱虹吸管的最佳填充率?Imura等認(rèn)為最恰當(dāng)?shù)某湟毫渴鞘构軆?nèi)汽液混合物的高度等于或略大于加熱段的高度,這樣可使熱管有最好的工作狀態(tài),他們對此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到的結(jié)果是,最佳充液率為v=20%-33%,其中V為液體的容積與蒸發(fā)段容積之比?Harada等提出V=0.25-0.30為合適?Feldman得到的最佳充液量為熱虹吸管總?cè)莘e的18%-20%?根據(jù)Shabgard等建議將額外充入5–10%的流體進(jìn)入管道中,以防止熱虹吸管壁上的液膜破裂?

CFD還被用來模擬在風(fēng)塔內(nèi)安裝熱管的可行性?在Calautita等人的研究中,熱管被改造為具有恒定的表面溫度,考慮到管內(nèi)工作流體的溫度差異不大,這是一個合理的假設(shè)?結(jié)果表明,在該應(yīng)用中并入熱管能夠改善進(jìn)氣溫度的降低?

Song等提出了一種使用CFD模擬熱管熱交換器進(jìn)行除濕過程的方法,模擬熱管的工作過程,該方法可進(jìn)一步用于熱管翅片疊層的優(yōu)化設(shè)計(jì)?研究表明,CFD建模能夠通過熱管熱交換器預(yù)測除濕溶液的熱性能?他們提供了一種熱模型,以模擬用于在家用電器的干燥循環(huán)中回收廢熱的熱管系統(tǒng)的性能?在該模型中,沒有模擬兩相流動和傳熱的細(xì)節(jié),但是可以預(yù)測冷凝和蒸發(fā)的整體性能?

熱管的模擬研究還有很大的發(fā)展空間,國內(nèi)外對于熱管的模擬研究還存在一定的局限性,熱管模擬技術(shù)上的進(jìn)步對熱管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對提高熱管換熱器的熱性能有至關(guān)重要的作用?對熱管的模擬研究要堅(jiān)持不斷的理念,開拓思維,將熱管的3D模擬精確度逐步提升?

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