重力热管作为一种高效换热元件,因具有结构简单、加工容易、造价低廉、低热阻、高效的传热性能及可靠性强等特点在换热领域得到广泛应用,同时,热管内部涉及沸腾与冷凝换热,并且加热壁面亲水特性与疏水特性对沸腾和冷凝换热具有重要影响。所以本文提出一种重力热管强化传热的新思路,即将润湿特性与重力热管相结合,采用化学蚀刻和涂层方法对重力热管壁内表面进行亲水和疏水处理,通过实验研究与数值模拟相结合的方法分析和研究了管壁内表面亲水特性、疏水性及亲疏水组合对重力热管启动和稳态传热特性的影响,本课题对热管强化具有重要的理论和现实意义。本文以内外径分别为9.52mm和8.32mm、蒸发段100mm、绝热段50mm、冷凝段100mm的重力热管作为实验研究和数值模拟的研究对象,采用去离子水作为工质,利用化学蚀刻和涂层两种方法制备具有不同接触角的亲水与疏水表面且通过接触角对润湿程度进行量化,设计制造了实验所用的不同接触角重力热管,搭建了亲疏水特性重力热管系统实验平台,为研究热管启动和稳态传热特性奠定了基础;最后,根据实验结果,采用数值模拟方法再现重力热管沸腾与冷凝现象,选取蒸发段与冷凝段传热系数、总传热系数、热阻及当量导热系数作为评价热管传热性能的关键参数。首先,本文实验研究了在不同工况下亲疏水特性重力热管的启动过程,分析了表面亲疏水特性对热管启动特性及蒸发段壁面过热度的影响。通过对蒸发段平均温度和冷凝段平均温度及热管启动时间分析,发现蒸发段内壁面引入亲水特性不仅显著缩短了热管启动时间,而且降低了启动温度。然而,在不同加热功率下,光滑热管蒸发段启动时间比仅具有亲水性的热管所需要的时间要长,但比仅具有疏水性的热管所需要的时间要短。在相同功率下,热管启动时间随着蒸发段接触角的不断增加而延长,并且随着热管1至热管6蒸发段接触角逐渐增加,蒸发段壁面过热度也逐渐增大;随着功率不断增加,疏水性蒸发段壁面过热度相比于亲水性蒸发段壁面过热度的增长幅度更加明显。对于亲疏水组合热管而言,蒸发段具有亲水性的热管所需要的启动时间小于蒸发段具有疏水性的热管启动时间。同时,蒸发段具有亲水性的热管所需要的启动时间比光滑热管的启动时间要短,所以,表面亲水特性在热管启动过程中发挥着重要作用。其次,实验研究了亲疏水特性对重力热管稳态传热性能的影响,研究发现,对于热管1至热管3及热管8至热管10,在蒸发段引入亲水表面不仅提高了蒸发段传热系数也提高了冷凝段传热系数,亲疏水组合(蒸发段具有亲水性,冷凝段具有疏水性)热管8至热管10的蒸发段和冷凝段传热系数大于光滑热管7的蒸发段和冷凝段传热系数。在相同工况下,亲水性热管1至热管3的热阻均小于疏水性热管4至热管6的热阻,随着热管1至热管6蒸发段接触角逐渐增大,热管热阻也逐渐增大,并且光滑热管7的热阻小于仅具有疏水性的热管4至热管7的热阻,但大于亲疏水组合热管8和热管9的热阻。如果功率在本实验基础上进一步增大,则热管8与热管9的热阻可能会低于热管1的热阻。除此之外,在相同工况下,随着热管1至热管6的接触角不断增加,当量导热系数逐渐减小;亲水性热管1至热管3的当量导热系数均超过了疏水性热管4至热管6及光滑热管7的当量导热系数;在同一工况下,热管8至热管10的当量导热系数也都高于仅具有疏水性热管4至热管6、光滑热管7以及具有亲疏水组合热管11和热管12的当量导热系数,但是低于热管1的当量导热系数。最后,基于对重力热管内部蒸发和冷凝过程理论分析和实验研究的基础上,建立了亲疏水特性重力热管数值模型,通过实验结果与模拟计算结果相结合对比分析了亲水特性、疏水特性以及亲疏水组合对热管稳态运行传热特性的影响。对比发现,实验结果和模拟结果具有一致性,但是对比实验和数值模拟结果发现,模拟结果整体要小于实验结果,分析了各参数在稳态运行过程中随着不同接触角的变化趋势,也对模拟结果进行了验证;研究结果还发现全亲水处理方式在提高热管传热能力方面优于全疏水处理方式,全疏水处理反而削弱热管传热能力,表明亲水特性对热管传热能力的增强具有积极作用。研究还发现全亲水处理以及蒸发段亲水处理和冷凝段疏水处理有助于提高冷凝段传热系数,增强换热能力;在提高热管传热性能方面蒸发段亲水处理和冷凝段疏水处理的组合方式优于蒸发段疏水处理和冷凝段亲水处理的组合方式,并且亲疏水组合(蒸发段亲水处理,冷凝段疏水处理)热管相对于光滑热管具有更高的传热能力,表明了亲疏水组合(蒸发段亲水处理,冷凝段疏水处理)具有强化热管传热、降低热阻的作用。