文 献 综 述
1.1引言
进入21 世纪以后，随着经济的飞速发展，我国的能源消耗日益增长，由于能源利用不完全[1-2]以及能源回收效率低的问题得不到有效解决，使得能源浪费、环境污染等问题越来越严重，所以能源问题如何得到解决已成为十分重要的课题。
热管具有以下优点: 传热效率高、冷热流体间接接触、属于无源工件、环境适应性强、可靠性高、性价比高，经济效益和社会效益高。热管技术作为强化传热传质过程的一种新技术，其工作原理是利用内部热传导和外部快速冷却，将管内部热量快速转移到管外部，具有超导热性。一般将热管分类三类: 传统热管(CHP)、重力热管(TPCT)和脉动热管(OHP)[3]。其中本次课题研究的重力热管相比于一般热管没有吸液芯，因其结构更简单、加工更容易、成本更低廉、传热性能更好等优点，被广泛应用于能源[4]、电子[5]、化工[6]等领域。
重力热管与普通热管的不同之处是管内没有吸液芯，凝结液从冷凝段回流到蒸发段不是依靠吸液芯所产生的毛细力，而是依靠凝结液自身的重力。所以重力热管又称为热虹吸管或无芯热管，或称为两相闭式热虹吸管。
1.2国内外研究现状
重力热管内部同时包括两相流和相变过程，涉及传热传质学以及热力学，传热机理十分复杂。SHIRAISHI等人[7]较早地提出了较为简易的竖置重力热管传热模型，并与试验进行了验证，许多研究者都以该模型对重力热管进行了研究。该模型将重力热管传热分为了3个区域[7]：蒸发段、绝热段、冷凝段。冷凝段为饱和蒸汽层流膜状凝结。蒸发段液池内，当热流密度较小时，液池内为自然对流蒸发；当热流密度较大时，液池内为核态沸腾。蒸发段液池以上部分，当热流密度较小时，冷凝液膜为层流膜状蒸发；而热流密度较大时，液膜为核态沸腾。
近年来，外国学者在热管研究方面取得了诸多研究成果。2006年，波兰的Jarosław Legierski等人[8]和比利时的Gilbert de Mey等人[8]对热管瞬态特性通过CFD仿真模拟与实验测量进行了研究，证明了CFD仿真模拟用于热管研究的可行性。这为许多学者研究热管提供了较为有效的方法。2009年，伊朗的Asghar Alizadehdakhel等人[9]和科威特的Ammar Abdulaziz Alsairafi等人[9]通过实验对比了CFD仿真模拟与人工神经网络模拟的可行性与可靠性，再一次强调了CFD仿真模拟在热管实验中的重要性。同时他们通过CFD仿真模拟成功模拟了不同加热功率与充液率下热管的流动和传热特性[10]。2013年，英国的Bandar Fadhl等人[11]进行了重力热管两相温度分布的数值模拟，在FLUENT中使用VOF方法成功模拟了热管内部工质蒸发冷凝的复杂现象。
国内对热管的研究虽然起步较晚，但发展却是非常迅速，许多研究也是硕果累累。2009年，中国石油大学的曹丽召[12]通过建立二维轴对称数学模型，利用SIMPLE算法编制计算机程序进行求解，成功发现了热管内的流动与换热特性，并分析了工作温度等各个参数对重力热管运行的影响，对往后的研究提供了有效的参考。最近几年，因为热管的高效率、低成本等优点，国内对热管的研究进入了十分火热的状态。长沙理工大学的张云峰等人[13]通过CFD仿真模拟，研究了蒸发段不同加热功率和充液率下对热管相变换热的影响；内蒙古科技大学的李棚辉等人[14]设计了新型重力热管换热器，并得出了该换热器的最佳工作状态和最大热效率以及平均热阻；南京工业大学的陈爱华和华西能源工业股份有限公司的张跃等人[15]研究发现重力式径向热管在热管内没有设置吸液芯的情况下也能工作并具有良好的启动性能；昆明物理研究所的陈军等人和西安交通大学的曹菁等人[16]通过建立热管模型，对热管在不同工质和不同加热功率下的工况进行了模拟与计算，成功发现了不同工质在热管中使用的优劣性。
目前重力热管已经在各个领域中得到了应用与推广，但仍旧有着亟需解决的优化等诸多问题的存在[17]。而且重力热管研究成果虽然丰富，研究者们建立的理论模型也能在一定程度上应用于工程中，但大部分研究都是通过实验与理论分析总结出了各自条件下的相应公式，这就难以形成完善的理论体系。这种情况的出现，重要因素之一就是重力热管内部包含了复杂的两相流和蒸发、冷凝相变过程，且重力热管通常是由金属材料构成，具有非可视化的特点，其流动与换热特性难以用传统的理论分析与实验手段进行具体的研究，这就对研究者们提出了更高的要求。随着国家发展的需要，对换热器的要求也会越来越高，推动重力热管的进一步研究对于当下是十分有必要的。
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