脉动热管（PHP）是20世纪90年代发明的非传统热管,它是一种被动但高效的热管理装置,在太阳能电池、燃料电池、空间和电子冷却及混合动力汽车中具有良好的应用前景。PHP分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分,其没有吸液芯辅助工作流体从一个区域流向另一个区域,但毛细作用在这方面起到辅助作用。许多研究表明,流体热动力学和相变行为主要取决于工作流体的类型、填充率（FR）、热输入、抽空压力等。然而,对于PHP的工作机理以及各参数对PHP热性能的影响尚不清楚。此外,研究人员专注于寻找新的工作流体,以更有效的方式提高设备的传热速率。很多实验研究表明,PHP在解决紧凑空间的高效散热需求方面已显示出良好的效果。与传统热管不同,PHP在满足重量和尺寸限制的同时具有处理更大热负荷的潜力。目前,主要研究工作集中在:（1）通过引入非常规流体作为工作流体,如纳米流体或表面活性剂溶液,从而提升PHP的热性能;（2）研究几何形状、填充率、抽空压力、热输入范围、加热和冷却方式等PHP性能的影响。然而,为了全面了解PHP的复杂流动与传热过程,仍亟需深入研究。本论文将开展不同填充率（FR）下,不同工质PHP流动实验研究,分析PHP在不同热输入下的热响应。对于非可视化实验,采用匝数为8,内径2mm,厚度0.5mm的铜管制作的封闭型PHP。整个实验装置由PHP、加热冷却系统、抽真空充液系统、温度传感器和数据采集系统组成。首先在利用真空泵对PHP进行抽真空,保持90k Pa的绝对压力。然后,利用注射器将工作流体通过充液管注入PHP中。将采用去离子水（DI）、甲醇和乙醇作为实验中的常规工作流体,采用表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）作为非常规的工作流体。实验开始时采用0%FR,不抽真空,作为对比实验,其中热传递仅通过铜管及其内部的空气传导。在15W热源下,PHP系统的热阻为3 K/W。此后,使用100%FR的DI,热阻为2.8 K/W,此时,传热仅靠单相流体浮力产生的循环流动。当温度上升时,这说明随着脉动流停止,PHP不起作用,实验测试停止。通过获得蒸发段和冷凝段温度随时间的变化关系,从而分析蒸发段和冷凝段的传热耗散率,计算不同热负荷下的热阻。以甲醇为工质情况下,蒸发段和冷凝段之间的温差波动较大,这主要是由于其饱和压力梯度与温度之比（d P/d Tsat）较大。以去离子水为工质,在热负荷为75W,50%FR时,PHP达到最低热阻0.34K/W。在FR为35%,热负荷达到80W之前,50ppm、100ppm、1000ppm CTAC时达到干涸状态。2000ppm可以避免这种干涸状况,在35%FR和50%FR下达到0.30K/W的最低热阻值。当表面活性剂浓度从50ppm增加到2000ppm时,其表面张力值从51.30m N/m降低到38.46 m N/m,较低的表面张力倾向于促进流体从蒸发段到冷凝段的上升和下降,反之亦然。另一方面,随着浓度的增加（从50ppm增加到2000ppm）,粘度增加（从1.51×10-3 Pa·s增加到2.09×10-3 Pa·s）,这阻碍了毛细管内的流动。因此,PHP中的流动是表面张力和粘度之间的权衡。在FR为50%时,2000ppm的CTAC在所有热负荷下具有最低的热阻,而50ppm的CTAC具有最高的热阻。在65%FR时,2000ppm CTAC在较低的热负荷下产生较高的热阻,这可能是由于较高的粘度值,该粘度值阻止蒸发段的高温溶液上升到绝热段和冷凝器段的较冷区。表面张力和粘度值随温度的升高而变化,这种现象影响了PHP的热性能。在较高的热负荷下,2000 ppm溶液达到干涸状态。与100 ppm和50 ppm溶液相比,1000 ppm的热阻最低。2000ppm CTAC在35%和50%FRs下达到的最低热阻,说明了CTAC溶液在PHP中的性能要优于去离子水。表面活性剂溶液的热物理性质对PHP的热性能有积极影响。比热容、蒸发潜热、表面张力和粘度对PHP热性能的影响,随着FR和热负荷条件的不同而不同。结果表明,与传统的工作流体相比,表面活性剂溶液在不同的FR和热负荷下可获得更好的热性能。通过实验研究发现,不同热物理性质的溶液在PHP中的响应不同,这反映在温度变化和热阻值上。为了研究PHP系统中的相变过程,即气泡形成和气泡运动的影响,本论文将开展PHP可视化实验,从而获得PHP内的流动状态。一旦在蒸发段提供热量,当温度波动发生时,通过精确地监测流动状态,可以清晰地研究PHP的启动特性。同样地,利用高速摄影机可捕捉到汽液相互作用、气泡形成、生长及其溃灭、流动方向和复杂流动的流型。PHP内部的传热机制主要受工作流体的流动状态控制,其进一步分解为气泡生成、气泡生长和环形流动。蒸发段的气泡是由于在这个区域提供足够的热量而产生的,然后这些气泡移动到压力和温度较低的冷凝段区域。PHP内部的传热现象伴随着脉动流道中气泡的产生,生长和溃灭的连续循环,通过对其可视化研究极大地理解PHP的运行机制。目前已有大量研究工作,致力于探索提高脉动热管热性能的途径,揭示脉动热管的工作机理。实验研究表明,PHP在不同几何设计、工质、操作条件等参数下的热性能特性存在差异。在可视化实验中,将采用采用匝数为4,内径2mm,厚度1mm的玻璃制作的封闭型PHP。通过常规工质和非常规工质的PHP可视化实验,可以清晰地分析PHP工作机理的差异。除了PHP之外,实验系统由抽真空充液系统、加热冷却系统、温度传感器、数据采集系统和图像采集系统组成。气泡的尺寸和流动特性对PHP的热性能有一定的影响。利用高速摄像机捕获其在PHP内的流动特性,从而获得从PHP开始工作到稳定工作阶段的气液两相变化。为了进一步研究,高速摄像机采集时间间隔为25ms,图像分辨率为1280×1024,拍摄速度为每秒400帧,从而可以清晰地记录和分析气泡的运动和形成、蒸发和冷凝。在加热之前,当充液连接处的止回阀打开时,由于PHP内部压力较低,工作流体从注射器注入PHP。由于表面张力比重力更为重要,工作流体在PHP管内随机分布成液塞和蒸汽塞。根据PHP外壁温度的波动可以测量PHP的启动特性。当液体薄膜从加热壁吸收足够的热量时,开始形成蒸汽泡;大量的蒸汽泡并且蒸汽压力的增加足以推动上部液体状态时,即触发PHP启动。在相同的工作条件下（50%FR和50W热负荷）,四种不同的工作流体（DI、甲醇、乙醇和300 ppm CTAC）中的PHP将产生不同的启动特性。由于无法通过玻璃管外壁获得精确的温度记录,因此启动是PHP内部两相流开始快速振荡的特征。当外壁温度超过120℃时,将停止加热。结果表明,DI和CTAC水溶液分别作为工质时,其PHP的启动时间相当（大致在60s~70s）;甲醇和乙醇作为工质时,其PHP的启动时间也相当（大致在40s~50s）。对于以去离子水为工质,PHP中的流型主要为环状流。甲醇和乙醇的表面张力值比去离子水低,因此汽泡尺寸较小,但甲醇和乙醇的（d P/d Tsat）较高,汽泡在其PHP中的移动较快。在CTAC作为工作介质的PHP中,可以观察到汽泡发生旋转这一独特的流动特性,这很可能是由于蒸发段热量快速传递所造成的。此外,还发现微气泡团簇在冷凝段的运动特性。本论文通过数值模拟方法研究PHP内部流动特性,采用流体体积模型（VOF）以捕获液相和汽相之间的界面。数值研究不同热负荷和填充比下,工作流体的表面张力和粘度对PHP热性能的影响。与DI-0.07为工质的PHP相比,以CTAC水溶液为工质时,PHP在较高热负荷下具有较低的热阻值。这是因为CTAC水溶液具有更低的表面张力,从而易发生相变,即在相同的热负荷下形成更多的蒸汽,虽CTAC水溶液的粘度增加了,其限制了PHP毛细管内流体流动所能达到的最大速度,但PHP热阻值主要受表面张力影响,因此表面张力的降低增强了PHP热性能。对于以DI-0.07和CTAC水溶液为工质的PHP,35%FR是不利的。在35%FR时,以CTAC水溶液为工质的PHP热性能最差,其热阻值高于DI-0.07的,这表明表面张力的降低会通过促进快速相变而影响PHP的性能,从而诱发CTAC水溶液为工质的PHP过早达到干涸状态。因此,以CTAC水溶液为工质的PHP,在较高的FR下将表现出更好的热性能,且在较高的热负荷下热性能可得到进一步的提高。