扩展弯月面脉动热管热流体动力学研究

扩展弯月面脉动热管Manoj Rao引用此版本：Manoj Rao。扩展弯月面作为脉动热管单胞方法之热流体力学治疗学[物理学. INSA de Lyon，2015.英语NNT：2015ISAL0080。电话：01247470HAL Id：tel-01247470https://theses.hal.science/tel-012474702016年1月4日提交HAL是一个多学科的开放获取档案馆，用于存放和传播科学研究文件，无论它们是否已这些文件可能来自法国或国外的教学和研究机构，或来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaireCette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservés泰塞扩展弯月面脉动热管的热流体动力学研究Présentée devantL’InstitutMEGA博士学校（Mécanique，Éenergétique，Génie civil，Acoustique）Pour obtenirLe grade de docteurParManoj RAO2015年9月18日之前，委员会对以下内容进行了审查PR. Yves BERTINENSMA，Institut Pprime，PoitiersPR. Lounès TADRISTUniversitéAix-Marseille，IUSTI，MarseillePR. Sameer KHANDEKARIIT印度坎普尔博士 Vincent AYELENSMA，Institut Pprime，PoitiersPR. Jocelyn BONJOURINSAde Lyon，CETHIL，里昂PR. Frédéric LEFEVREINSAde Lyon，CETHIL，里昂这是里昂能源与热能中心（CETHIL UMR 5008）的一项准备工作Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésiiCette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésiii摘要本文试图解释一个两相系统的自持热致振荡，该系统由一个孤立的封闭的液体-蒸汽弯月面（一个单一的液体塞邻接的蒸汽泡）内的该系统代表了脉动热管（PHP）的最简单的对导致自持振荡的输运行为的基本理解对于建立迄今为止不存在的完整PHP系统的数学模型至关重要首先，在受控热边界条件下，对单胞的振荡进行了可视化在这里，通过内部压力测量与高速摄像的实时同步，实现了对系统动力学的独特和新颖的理解，高速摄像用于可视化和记录弯月面振荡和弯月面离开蒸发器时在壁上形成的薄液膜当热源和散热器之间的温差增加时，可以观察到不同的弯月面动力学，具有良好的可重复性实验结果清楚地表明，液体膜的蒸发是负责这些图案。对蒸发和冷凝过程的不同组成部分进行了严格的分析。在系统内部观察到两种不同的蒸发模式：一种在三线处，一种在液-气界面处。与明显的解释相反，蒸汽泡中的最大压力是在向下冲程中实现的，而不是在向上冲程中。因此，系统动力学不能与气体压缩循环相比;蒸气的存在加上瞬态相变过程引起奇异的传输现象。这种解释的弯月面的运动和由此产生的压力周期没有被认为是由任何现有的数学模型的PHPs。通过简单的标度参数，它表明，有一个亚稳态存在于系统中的概率很高，这基本上指向考虑非平衡蒸发和冷凝模型预测的热传输。液膜传热的简单瞬态分析模型Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésiv它清楚地解释了观察到的行为。非平衡条件的存在及其对系统动力学的潜在影响需要进一步的探索，无论是实验还是分析。建立了一个由蒸汽塞和液体段塞组成的系统的数值模型，该系统在一端封闭的管道中振荡，另一端连接到恒定压力的储液器建模原则已在以前的工作中提出在这项工作中，考虑到新的实验装置的特点，并根据实验结果改进液膜蒸发模型，进行了一些修改还进行了参数研究，以了解各种因素对这种系统的工作的影响结果表明，用于计算液塞内压降的经典关联式在振荡流的情况下是相关的结果证实，膜的动力学是系统的最重要的参数，并且必须通过考虑液体的性质以及壁的性质来建模因此，壁中的热传递方程必须被求解并耦合到系统的流体动力学行为考虑到PHP系统没有全面的模型，本研究中提供的结论和方向对于建立对这些设备的广泛理解非常重要，这些设备仍然是面对散热工程系统未来热管理需求的一个有前途的选择Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésv摘要目录图表一览表目录三、五、九、十五XVII第一章：导言、动机和背景11.对被动热管理的需求：电子冷却技术21.1. 两相被动冷却技术31.2. 热管52. 脉动热管（PHPs）72.1. PHP 9的不同配置2.2. 物理设计参数102.3. PHPs中的流型2.4. PHPs热力学2.5. PHPs的流体动力学2.6. PHP 16中的热传递3. 了解PHP工作原理的两种研究方法3.1. 将PHP作为一个完整的系统来学习173.2. PHP局部方法（3.2.1. 单支造型223.2.2. 单分支PHP实验244. 结束语，工作动机和论文章节计划26参考文献28第2章：文献综述：扩展33与单分支PHP相关的弯月面1.单分支PHP中的热物理参数区域1.1. 毛细管压力和分离压力351.2. 延伸弯月面区域36的基本原理1.2.1.吸附或非蒸发区域371.2.2. 固有弯月面区域381.2.3. 薄膜或过渡区391.3. 前方的道路2. 延伸弯月面40的流体动力学传输特征2.1. 毛细管41中的两相流2.2. 泰勒气泡流422.3. 界面接触线和影响参数442.3.1. 三相接触网：静态442.3.2. 三相接触网：Dynamics 50Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésvi2.3.3. 初始膜厚562.3.4. 界面接触线行为的影响2.3.5. 振荡流中的压降3. 扩展弯月面63的传热特性Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésvii3.1. 杨-拉普拉斯公式3.2. 增广杨-拉普拉斯方程3.3. 蒸发和冷凝界面阻力3.4. 分析扩展弯月面蒸发的实验和模拟方法4. 结束语第3章：实验设置和数据处理1.实验装置1：PHP最简单单元的热动力学1.1. 实验装置的细节1.2. 实验程序1.3. 数据处理2. 实验装置2：毛细管内弯月面的流体动力学（绝热实验）2.1. 实验装置的细节2.2. 实验程序2.3. 数据处理3. 结束语第4章：结果与讨论-单分支PHP实验与薄膜动力学1.单分支PHP的实验结果1.1. 实验边界条件1.2. 弯月面随压力变化的振荡1.3. 实际蒸汽温度与蒸汽饱和温度1.4. 液膜动力学1.4.1.蒸汽质量动力学的实验估算1.4.2. 蒸汽质量动力学模型1.4.3. 模型预测与实验的比较2. 液体薄膜非稳态传热的理论分析2.1. 缩放参数2.2. 液体薄膜的热响应时间2.3. 相变过程中的膜厚变化3. 结束语第5章：单分支PHP建模1.单胞系统不同组成部分的建模1.1. 水库1.2. 液塞1.3. 汽塞1.4. 液膜动力学1.5. 管、蒸发器和冷凝器1.6. 模型方程的求解2. 与实验数据的比较6465667281838989919699101101104105106106107107108112118120120122125131132137141146148151152153153156157159162163Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésviii2.1. 单相压降与实验对比2.2. 蒸发器的热模型2.3. 液塞、汽段塞和液膜动力学3. 参数研究3.1. 流体和管的性质的影响3.2. he，tl，h e，lf和h cond对系统动力学4. 结束语第六章：结论和未来范围1.结论2. 未来范围附录A附录B附录CC.1 实验不确定度分析C.2 不确定性的估计C.3 测量设备的校准曲线参考附录D163166169173174177180181183183185187189191191192194194195Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésixCette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésx图目录液体段塞）图1.12单气泡PHP [1.34，1.39，1.40]的集总弯月面/润湿膜模型及其关键几何和物理特性参数管子右开口端的压力是23通过将管连接到大的储液器而施加到值Pext图1.13Das等人2010年成立[1.34]25图 1.14单泡PHP中的振荡（Das et al. [1.34]）。左图：弯月面位置（x）和蒸汽压p随时间变化的实验测量（图2）。1.12）。弯月面位置曲线从底部切割，因为蒸发器26并且绝热部分是不透明的，隐形在那里。右：弯月面位置（x）、蒸汽压力（p）、蒸汽温度（T）和薄膜边缘位置（xf）的数值建模编号标题页码图2.1在通道中形成的半径R的弯月面，固体通道壁和液体的表面能35图2.2（a）单位单元PHP（b）A中扩展弯月面的示意图获得的毛细管压力和分离压力的典型比较通过数值模拟，Number标题页次图1.1传热系数的范围通常可能从各种冷却技术应用于当代热03管理系统（Lin et al. [1.1]）图1.2自然对流可获得的传热系数单相液体强制对流沸腾04冷却剂（Lasance [1.2]）图1.3典型热管示意图06图1.4典型脉动热管示意图（Khandekar [1.3]）07图一、五Akachi等人提出的原型。[1.8]08图1.6PHP的不同配置，（a）封闭端（b）封闭环(c)带止回阀的闭环（d）带开口的PHP09图1.7PHP的不同流态（Xu et al. [1.12]）13图一点八PHP的热力学循环（Groll和Khandekar [1.14]）14图一点九PHP中的液体段塞（Khandekar et al. [1.15]）15图一、十PHP中的液体蛞蝓16图1.11单元电池PHP（单管：单蒸汽塞）示意图21Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésxix=0的微通道处于固有弯月面，并且当向更高的x值移动时增加（Park et al. [2.4]）图2.3垂直向上并流中遇到的流型41和 化学 不均匀性， 和 （c）第（1）款 尖锐的物理或53化学 不连续 在 的 表面 （Khandekar 等人[2.19]）图2.7根据Tanner的表观接触角与Ca的依法 插图显示了Kavehpour等人的实验数据。[2.29]55图2.8根据其中提到的五个相关性，膜厚度随毛细管数的变化59图 2.9在振荡运动下 塞/弯月面的可能构型（Tripathi等人，[2.44]）60图2.10叠加在弯月面速度U上的接触角数据，振荡频率为0.5 Hz时的时间图Shekhawatet61al. [2.45]图2.11分子通量推导中使用的命名和几何（凯里[2.23]）68图2.12关于薄膜设置的S* 建模（Carey [2.23]）68图2.13（a）实验装置（顶视图）和毛细管槽的细节(b)微区温度分布（霍夫曼74和Stephan [2.62]）图2.14（a）VCVB热交换器的实验装置的示意图，显示液体弯月面和吸附的薄膜区域的比色皿的顶角的横截面图以及微区域的示意图（b）蒸发热在蒸发弯月面区域的液体-蒸汽界面处的通量分布，作为弯月面长度和表面张力随蒸发弯月面区域变化的函数的蒸发弯月面区域中的温度分布（Panchamgam et al. [2.63]）图2.15（a）实验装置示意图（b）红外温度Ttop地图 T底部 在1190 W/m2的热通量下 和76不同蒸发速率下庚烷弯月面的图像流动（Collier和Thome [2.18]）图二、四PHP中的液体段塞（Khandekar et al. [2.19]）42图二、五(a)流体在固体基底上的接触角（b）在三种不同长度尺度上观察到的半月板（Khandekar et45al. [2.19]）图2.6(a)接触角滞后，（b）连续变化的物理Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésxii熔融石英晶片（C）1.弯月面2附近庚烷蒸气浓度的等值线蒸汽/空气区域中的速度等值线3. 温度等值线（K）和流迹线显示弯月面 中 的 热 毛 细 对 流 （ d ） 接 触 线 附 近 的 壁 温 分 布（Dhavaleswarapu et al. [2.64，2.65]）图2.16（a）实验装置示意图（b）线性局部壁在不同的弯月面下的温度分布输入热流和线性局部热流分布不同的输入热通量（Escherichem et al. [2.66]）图2.17滑移边界条件物理现象示意图， Marangoni 对流 以及斜率和曲率78扩展弯月面中分离压力的相关性图 2.18（a）实验装置示意图（b）与饱和温度相比的蒸汽温度（Gully et al.[2.70]）图2.19（a）实验装置示意图（b）各区域的壁温和传热百分比（Chauris et al. [2.71]）编号标题页码图3.1实验装置1的示意图-PHP93的最简单单位单元的热动力学图3.2实验装置1的照片-PHP95最简单单元的热动力学图3.3实验装置1的尺寸-PHP95最简单单元的热动力学图3.4（a）来自完整单位单元PHP的摄像机1的典型图像（b）来自98个弯月面的相机2的示意图薄液膜三线图3.5单胞PHP 100的热力学状态图3.6实验装置2的示意图：毛细管内弯月面的流体动力学图3.7实验装置2的实际照片：毛细管内弯月面的流体动力学103104编号标题页码图4.1接触线行为的各种可能情况图4.2表示去离子水的绝热实验结果，三线相对于弯月面运动的运动109110Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésxiii并因此对应于接触线的部分钉扎图4.3在Te= 46ºC和（a）Tc= 16º C、（b）Tc= 20ºC、（c）Tc= 24º C和（d）Tc= 28ºC和Pr= 0.5 bar的实验条件下，蒸汽泡内压力（右纵坐标轴）随弯月面位置（左纵坐标轴，实线）和三线（左纵坐标轴，虚线）的时间变化图4.4（a）解释弯月面运动一个周期期间事件的示意图（b）示出了弯月面从蒸发器（阶段A）的入口朝向冷凝器（阶段J）并返回蒸发器（阶段T）时的时间演变还突出显示了四个区域（将在第1.4.1节中使用图4.5压力（右纵坐标轴）随汽泡温度和饱和温度Tsat= f（Pv）的时间变化，实 验 边 界 条 件 分 别 为 Te= 46ºC 和 Tc= 16ºC 、 20ºC 、 24ºC 和28ºC，Pr= 0.5bar图 4.6弯月面位置的时间变化（左纵坐标轴，实线）、三线（左纵坐标轴，虚线）和使用理想气体方程计算的蒸汽质量（右纵坐标轴）（参考和等式4.1）（在Te = 46ºC和（a） Tc = 16ºC，（b） Tc =20ºC，（c）Tc =24ºC，和（d）Tc =24ºC，Pr = 0.5 bar时，显示蒸汽温度对蒸汽质量的敏感性）图4.7弯月面位置的时间变化和膜厚变化，使用根据等式2的分析模型计算4.7（分别在Te= 46ºC和Tc= 16ºC、20ºC和24ºC时，Pr=0.5巴）。图4.8在一个完整的振荡周期期间弯月面运动的毛细管数的变化图4.9用于预测管内移动弯月面沉积的初始膜厚的经验标度关联式的比较图4.10在一个循环期间蒸汽质量的累积变化，分为四种不同的贡献：蒸发器中三线或液膜上的蒸发和冷凝器中液膜或弯月面上的冷凝（Te=46ºC和Tc= 16ºC，第一个循环）113115119121126128129131图4.11单支PHP 133的晶胞图4.12对于宽134° C的热传导率与热扩散率Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésxiv各种均质材料（封闭的圆形-金属;方形-陶瓷;三角形-玻璃;开放的方形-聚合物;开放的圆形-液体;和十字形-气体）（Salazar[4.20]）图 4.13液膜厚度（δlf，i = 50 µm）的时间变化及其在本实验的蒸发器部分中存在的FC 72条件下的相应温度（Te = 55 °C，Tc =-3 °C和Pr =0.42 bar）图 4.14 FC 72在本实验蒸发器部分的条件下（Te = 55 °C，Tc =-3 °C，Pr =0.42 bar）液膜厚度（δ lf，i = 50 µm）的时间变化。图4.15液膜的初始厚度对其从初始状态到完全蒸发的最终状态的演变的影响在初始阶段，膜随着其上的蒸汽的冷凝而变得更厚图 4.16冷凝器实验条件下不同时间的液膜温度（δlf，i= 50 µm）142143144145编号标题页码图 5.1模型中考虑的几何特性 151图5.2压降测量及其涉及的各种部件154图第5.3款管、蒸发器或冷凝器的热模型图5.4单相液体在2mm毛细管内随弯月面运动而振荡的分析压降与实验压降随时间变化的比较，其中（a）对于以1Hz（b）对于以1.5 Hz振荡的流体FC 72（c）对于以1 Hz振荡的流体戊烷（d）对于以1.5 Hz振荡的流体戊烷（此处X轴表示毛细管中弯月面的位置，0对应于在振荡期间最靠近储液器的位置图5.5通过将三个分量除以内部横截面积A来比较对管长度Lt上的理论压降有贡献的三个分量，（i）液体段塞的瞬时动量（dmu/dt），（ii）重力项（mlg）和（iii）剪切项（Fτ），（a）对于以1 Hz振荡的流体FC 72（b）对于以1.5 Hz振荡的流体FC 72（c）对于以1 Hz振荡的流体戊烷（d）对于以1.5 Hz振荡的流体戊烷图5.6与液体接触处的管内壁温度164165167图5.9T e= 37.5° C（在热模型中）和Te= 37.5 ° C时弯月面运动、三线运动和蒸汽压的171膜图5.7液膜蒸发流速168图5.8弯月面运动取决于蒸发器温度170Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésxv46 ° C（实验中），FC 72，Tc = 16 ° C，Pr = 0.5 bar，尺寸与第3章实验装置1中所述相似。 he，tl = 7.348×106 W/m²K; he，lf =7.273×103 W/m²K图5.10在与图4.5（a）中给出的实验数据类似的条件下，蒸汽温度和对应于蒸汽压（Te= 37.5 ℃）的饱和温度的比较图5.11弯月面运动、三线运动和蒸汽压，Te= 37.5° C，Tc= 16 °C，条件与图4.6（a）中的实验数据图5.12半月板运动、三线运动和蒸汽压，Te= 37.5° C，Tc= 20 °C，条件与图4.6（b）中的实验数据图5.13半月板运动、三线运动和蒸汽压，Te= 37.5° C，Tc= 24 °C，条件与图4.6（c）中的实验数据图5.14与水液膜接触的玻璃管内壁温度（Tsat= 81°C; Te= 92°C; Tc= 66 °C;hHS= 20000 W/m²K）图 5.15与水液膜接触的铜制管内壁温度（Tsat = 81°C; Te = 92°C;Tc = 66°C;hHS = 20000 W/m²K）图5.16半月板动态，Te= 37.5° C和Tc= 16° C; he，tl= 8.638×106W/m²K; he，lf=3.212×103W/m²K;hc=800 W/m²K图5.17半月板运动、三线运动和蒸汽压 ， Te= 38.4° C;Tc= 16 °C; he ， tl=5.579×106W/m²K; he，lf= 1.605×103W/m²K;hc=800 W/m²K图5.18半月板动态，Te= 37.5° C和Tc= 16° C; he，tl= 7.348×106W/m²K; he，lf=7.273×103W/m²K;hc=800 W/m²K图 5.19 弯 月 面 动 态 取 决 于 冷 凝 传 热 ;Te= 37.5° C ， Tc= 16° C; he ， tl=7.348×106W/m²K; he，lf= 7.273×103W/m²K171172173173176177178179179180编号标题页码图 C.1绝对压力传感器校准曲线194图C.2差压传感器校准曲线图D.1戊烷结果（半月板位置无法完全跟踪，因为它超出了相机的范围195Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésXV表的列表编号标题页码表2.1各种流体的静态平衡接触角θeq范围48表3.1所用流体的基本物理性质94表3.2典型实验测量99表3.3典型实验测量105表4.1初始膜厚130表4.2晶胞 重要时间尺度的数量级135元件表5.1W中不同物质的热扩散系数（K. E.Cp）1/2。 s1/2/K·m2。175表C.1测量变量193Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésXVICette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésXVII命名法信定义SI单位一区域（m2）一个加速度（米/秒2）一个'常数（-）A1常数（-）A2常数（-）B常数（-）C单位长度（J/m.K）CF摩擦系数（-）CP定压（J/kg.K）Cv定容（J/kg.K）CP热容量（J/K）D直径（米）D直径（米）F力（N/m2）F频率（赫兹）G归因于重力的（米/秒2）H传热系数（W/m2.K）h焓（焦耳/千克）J分子通量（-）J恒定K热导率（瓦/米.K）KB玻尔兹曼常数(1.38×10-23m2。kg/s（2.K）K1常数（-）K3常数（-）K4常数（-）L长度（米）势头(kg.m/秒）M分子量(kg/mol）M质量（公斤）m”质量通量(kg/平方米）n节点N分子数（-）P压力（N/m2）Qe热输入速率（W/m2）q”传热（W）Q1常数（-）R半径（米）R热阻（-）R普适气体常数（8.314 J.mol/K）reS特征粗糙度铺展系数（-）（-）s无约束参数（-）T Temperature（K）Cette thèse est accessible à l'adresse：http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0080/these.pdf© [M. Rao]，[2014]，INSA de Lyon，tous droits reservésXVIIIt u，v，w时间x，y，z方向的速度（个）（米/秒）V体积（m3）X，x距离（米）x、y、z坐标系方向（-）Z的函数（-）z恒定（-）希腊符号符号定义SI单位a热扩散率（m2/s）调节系数（-）6厚度（m）θ接触角（º）m曲率（-）Z拉普拉斯常数（m）µ动态粘度（Pa.s）u运动粘度（m2/s）p密度（kg/m3）表面张力（N/m）τ剪应力（N/m2）热通量（W/ m2）ω角频率（rad/s）操作者SI单位定义（-）之间的差异下标定义绝热段广告吸附加速adv前进应用程序外观c冷凝器/冷凝毛细管帽conv对流第二传导d连接导致的死区分离