管径和填充比对表面润湿性脉动加热管启动性能及热液性能的影响

《Chemical Engineering Research and Design》：Effects of tube diameter and filling ratio on the start-up and thermo-hydraulic performance of surface-wettability pulsating heating pipe

　　

摘要

脉动热管（PHP）是一种被动式热传递装置，通过相变和液/气塞的振荡实现高效的热传递，具有用于紧凑型和节能型热管理的潜力。基于现有的混合表面润湿性PHP模型，本研究数值探讨了管径、填充比和热流密度对启动过程、流动状态及热阻特性的耦合影响。结果表明，1毫米直径的PHP在高热流密度下由于液量有限和流道截面积小，容易导致局部干涸，这不利于稳定的热传递。2毫米和3毫米直径的PHP在热流密度为8292 W/m2且填充比为80%时更可能出现循环流动，其最小热阻分别为0.706 K/W和0.725 K/W。启动过程可以分为突变启动和渐进过渡启动两种类型，主要受初始热积累、压力驱动力的建立以及液/气塞分布的影响。随着热流密度的增加，需要更高的填充比来提供足够的液相导热能力，但过高的热流密度仍可能导致干涸。这些结果表明，管径、填充比和热流密度之间存在显著的耦合效应，最佳填充比并非固定不变，而是取决于具体的操作参数和结构规模。

引言

随着对紧凑型和节能型热管理需求的增长，脉动热管（PHP）作为一种被动式两相热传递装置受到了广泛关注。PHP依靠交替的液态和气态塞的蒸发、冷凝及振荡运动，具有结构简单、热响应快速和传热潜力高的优点（Hua等人，2021年；Akachi，1996年）。

recent研究显示，PHP在废热回收、太阳能热利用、电力电子冷却和可再生能源系统中具有应用潜力（Xu等人，2023年；Xu等人，2017年；Kearney等人，2016年；Liu等人，2022年）。这些应用证实了PHP的广泛应用性，但其启动和传热性能仍高度依赖于几何结构与操作参数。

先前的研究表明，PHP的启动和热性能受工作流体属性和热输入的影响。潜热、表面张力、粘度以及饱和压力随温度的变化会影响蒸汽生成、流动阻力、压力波动和振荡强度（Spinato等人，2016年；Patel等人，2017年；Shi等人，2016年；Sun等人，2018年）。同时，PHP通常需要达到最低热输入阈值才能启动振荡运动，而过高的热输入可能导致局部干涸并降低传热极限（Sarangi和Rane，2013年；Kamijima等人，2020年；Kim和Kim，2020年）。

填充比是另一个关键参数，因为它决定了PHP中液塞和气塞的分布。以往研究通常表明，适中的填充比可以维持间歇性的气-液流动和稳定的振荡，而最佳填充比会根据工作流体、加热功率和方向不同而变化（Vassilev等人，2007年；Iwata和Bozzoli，2024年；Czajkowski等人，2020年；Yang等人，2009年）。最近的研究还探讨了使用二元共沸和不混溶工作流体的三维环形PHP的快速启动特性，进一步表明几何配置和工作流体分布对启动性能起着重要作用（Zhang等人，2025a）。最新研究还指出，表面润湿性和冷凝器侧边界条件对PHP的热液性能具有重要影响。蒸发器和冷凝器部分的润湿性配置会影响液/气分布、振荡运动、冷凝行为和热阻，冷却温度也会影响润湿性驱动PHP的启动过程和热动力性能（Zhang等人，2026a；Zhang等人，2025b；Zhang等人，2026b）。

尽管已有研究探讨了工作流体、热输入和填充比对PHP性能的影响，但管径、填充比和热流密度对混合表面润湿性PHP的耦合效应尚未得到充分澄清。特别是这些参数对启动模式、气-液分布、流动转变和热阻的影响仍需进一步分析。因此，基于我们之前的混合表面润湿性PHP模型（Zhang等人，2025c），本研究对不同管径、填充比和热流密度的PHP进行了数值模拟，旨在明确结构和操作参数对启动行为、流动状态和热阻的耦合效应。通过揭示毛细限制、液量、压力驱动力和流动阻力的相互影响，本研究为混合表面润湿性PHP中管径、填充比和热流密度的匹配提供了理论基础，这些发现也可能为后续的实验优化和PHP的多环路开发提供指导。

章节摘录

物理模型

建立了管径分别为1毫米、2毫米、3毫米和4毫米的二维单环PHP几何模型，如图1所示。PHP垂直放置，图中展示了PHP蒸发器、绝热部分和冷凝器的结构尺寸。本研究仅在垂直放置条件下适用该模型，重点研究了管道的基本效应。

PHP的启动

图5显示了直径为1毫米的PHP的温度波动。由于其直径小且热容量低，在较低输入功率下就达到了性能极限，蒸发器部分的温度迅速上升，表明蒸发部分已发生干涸。这一现象在热流密度为8292 W/m2的高条件下尤为明显（见图6）。这说明较小的管径可以增强表面张力的主导作用。

结论

本研究建立了混合表面润湿性PHP模型，并研究了管径、填充比和热流密度对PHP启动和传热性能的影响，以分析最佳操作参数并实现稳定的循环流动。主要结论如下：

• (1)
  PHP有两种启动模式：突变启动模式和渐进过渡启动模式。在高热流密度下，较大的管径...

术语表

C_L
液相的半径曲率
C_V
气相的半径曲率
d
管径（毫米）
E
能量（焦耳）
G_k
平均速度梯度湍流动能
G_b
平均速度浮力湍流动能
g
重力加速度
h_LH
工作流体的潜热（焦耳/千克）
k
湍流动能（千焦）
P
压力（帕斯卡）
P_L
液相压力（帕斯卡）
P_V
蒸气压（帕斯卡）
Pr_k
k的湍流普朗特数
Pr_ε
ε的湍流普朗特数
Q_in
施加在蒸发器段的热输入（瓦特）
R_in
基于输入的...

CRediT作者贡献声明

张伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。张浩颜：撰写 – 初稿编写、验证、研究、数据整理。陈浩杰：撰写 – 初稿编写、验证、研究、正式分析。程坤宇：撰写 – 初稿编写、监督、软件开发、概念构思。

作者声明与本研究无利益冲突。

致谢

作者感谢北京建筑大学研究生创新项目的支持，同时也感谢编辑和匿名审稿人对本文的宝贵意见和建议。

张伟 | 张浩颜 | 陈浩杰 | 程坤宇北京建筑大学，北京，100044，中国