引言脉动热管（Pulsating Heat Pipe，PHP）具有传热性能优异、结构简单、无须耗能等优点，被广泛应用于热能回收[1]、汽车电池热管理[2]及航空冷却[3]领域，其影响因素众多，如结构比例、工质、真空度等。其中，工质作为传输热量的介质，对PHP的传热性能具有显著影响[4]。众多工质中，微量添加表面活性剂能够显著降低水的表面张力，得到学者的大量研究[5-9]。Nazari[6]等研究发现，与去离子水PHP相比，以Trition X-100水溶液为工质的PHP启动温度降低约50%。加热功率Q50 W时，Triton X-100水溶液最佳浓度为0.1%；加热功率Q50 W时，Triton X-100水溶液最佳浓度为0.01%。Patel[7]等研究SDS水溶液PHP的传热性能发现，加热功率Q为20~110 W时，以SDS溶液为工质的PHP性能优于去离子水PHP，质量浓度为45 mg/kg及60 mg/kg时传热性能更好。PHP的传热机理较复杂，仅通过传统蒸发-冷凝段温度测量的方法难以完全揭示，可视化机理分析是试验方法的有利补充。Basatakoti[10]等通过可视化分析研究去离子水、甲醇、乙醇及CTAC溶液的启动时间及主导流型，CTAB是一种阳离子型表面活性剂。结果表明，40 W时，去离子水的气泡以长气泡为主，甲醇及乙醇的气泡以中小气泡为主，CTAC溶液不存在占据主导的气泡类型。Kumar[11]等通过可视化研究去离子水及不同浓度SDS水溶液在充液率为40%、60%以及80%工况下的传热机理，去离子水PHP只能观察到常规气液塞，SDS水溶液能够在液塞中观察到气泡簇。Gandomkar[8]等研究表明，添加CTAB有利于提前去离子水PHP内流型。目前可视范围为全PHP的可视化研究较少，管内流动现象较为复杂，仍需进一步观察研究，且热流密度范围相对偏小（3 789~9 474 W/m2），温度对气泡行为影响显著[12]，有必要扩大可视化研究的加热范围。以CTAB水溶液为工质，质量浓度为1 440 mg/kg，充液率为50%，加热功率为10~105 W，以玻璃制PHP用作可视化实验，并与去离子水溶液工质进行对比，分析其运行传热机理，为表面活性剂水溶液PHP的后续研究提供参考。1试验概况试验装置主要由真空泵、电加热装置、充液装置及拍摄装置组成，结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F001图1试验装置结构蒸发段热量由缠绕在管壁上的电加热丝提供，通过调节电加热装置控制加热功率；冷凝段采用强制对流冷却方式，风速约4 m/s；拍摄装置分辨率为4 096×2 160，帧数为60。为了准确描述现象出现位置，将PHP竖直单管从左至右依次编号为①~⑩。试验开始前，利用真空泵将PHP内部压力抽至0.35 Pa，保压15 min，使用滴定管将工质充入PHP。初始加热功率设为10 W，工况稳定运行后（约15~20 min），调节电加热装置至下一加热功率。试验先以去离子水为工质进行，再以CTAB水溶液为工质进行。CTAB属于阳离子型表面活性剂，降低表面张力的效率较高，CTAB水溶液及去离子水的表面张力及黏度[14-18]如表1所示。添加CTAB能够显著降低去离子水的表面张力，增加去离子水的黏度，前者能够强化核态沸腾换热，减小毛细阻力，利于PHP的运行；后者会增大液塞脉动压降，恶化PHP的传热性能，PHP的传热性能由二者综合决定[13]。随着温度的增加，工质的表面张力及黏度均会相应降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.T001表1CTAB水溶液及去离子水的表面张力及黏度工质温度/℃表面张力/(mN/m)黏度/(mPa·s)CTAB水溶液2539.10.9374537.60.693去离子水2572.00.8904568.60.5952结果与讨论2.1充液去离子水及CTAB水溶液充入PHP时的气液塞分布如图2所示。去离子水充入时，PHP内呈现均匀的气液塞分布[19]；CTAB水溶液充入PHP，除气液塞分布外，发现气塞中具有大量致密泡沫[11]。主要因为CTAB水溶液表面张力更低，更容易产生泡沫[20]。此外，CTAB分子易吸附在泡沫表面，增加泡沫（气泡）表面的稳定性[21]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F002图2去离子水及CTAB水溶液充入PHP的气液塞分布2.2低加热功率段（10~30 W）施加10 W加热功率，去离子水PHP及CTAB/水PHP的蒸发段均观察到气塞受热膨胀、推动液塞缓慢上升的现象。加热功率为10 W时去离子水PHP蒸发段气液塞状态如图3所示。图3中左侧箭头表示运动方向（下图同），虚线所圈为气塞。随着液塞两侧的气压差进一步增大，液塞将快速被推至冷凝段。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F003图3加热功率为10 W时去离子水PHP蒸发段气液塞状态（间隔1 s，⑦管和⑧管）液塞在重力作用下以液膜的形式回流至蒸发段，液膜积聚并充满玻璃管某一断面时，形成“液桥”[22]，在两侧压差作用下重新脉动至冷凝段。10 W时去离子水PHP蒸发段“液桥”现象如图4所示。图4中虚线所圈为液塞。经可视化观察，10 W时，去离子水PHP一段时间内均处于该模式，非振荡运行，表明去离子水PHP此时的整体运行性能不佳。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F004图4加热功率为10 W时去离子水PHP蒸发段“液桥”现象（间隔1/20 s，④管）加热功率为10 W时蒸发-冷凝段压差较小，蒸发段受热压力相对较高，液塞无法快速地由冷凝段脉动至蒸发段，使液塞更多积聚在冷凝段。加热功率为10 W时去离子水PHP、CTAB/水PHP冷凝段气液塞分布如图5、图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F005图5加热功率为10 W时去离子水PHP冷凝段气液塞分布（②管~⑨管）10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F006图6加热功率为10 W时CTAB/水PHP冷凝段气液塞分布（②管~⑨管）去离子水PHP中的气液塞分布均匀，与充液时无明显区别。CTAB/水PHP刚充液时的致密泡沫破裂消失，Kumar[11]等进行SDS/水PHP可视化试验时，在绝热段也观察到相同现象。主要原因为泡沫的比表面积较大，表面自由能较高，能量倾向于自发减少，使泡沫破裂以形成更稳定的体系[23]；泡沫中的气体在其破裂后以气泡的形式存在，气泡聚集后未合并为长气塞，形成了气泡簇[10-11]，因为CTAB分子吸附后，气泡液膜的稳定性增加。与去离子水PHP不同，CTAB/水PHP在加热功率为10 W时能够较好地运行，与Gandomkar[8]等试验结果吻合。添加CTAB降低了液塞脉动毛细阻力[24]，可能与气泡簇的膨胀有关。气泡簇是气塞难以合并的结果，与合并的气塞相比，气泡簇的长度更长，经过蒸发段时，受热膨胀面积更大，能够为液塞提供更大的驱动力，可能是CTAB/水PHP强化作用机理之一。液塞内部小气泡在蒸发段膨胀时利于液塞分隔，有利于液塞脉动。加热功率为10 W时CTAB/水PHP气泡簇在蒸发段膨胀现象如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F007图7加热功率为10 W时CTAB/水PHP气泡簇在蒸发段膨胀现象（间隔1/60s，⑦管）针对小加热功率段，去离子水PHP及CTAB/水PHP中均发现了长液塞，但长液塞不能像短液塞一样快速脉动至冷凝段，运动时速度较慢或震荡运行，去离子水PHP长液塞在蒸发段的震荡运行现象如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F008图8去离子水PHP长液塞在蒸发段的振荡运行现象（间隔1/60s，⑤⑥管，20W）长液塞的质量较大，与管壁的接触面积较大，液塞与管壁的摩擦阻力更大，将长液塞推动至冷凝段需要更多驱动力。长液塞不利于PHP运行，小功率段时，蒸发-冷凝段压差较小，长液塞难以快速往返于二者间，削弱了显热传递；长液塞的形成表明PHP其他单管中的去离子水更少，具有局部温度迅速升高的可能。需要说明，各功率段内均观察到了长液塞现象。随着气-液塞不断从蒸发段回流，在去离子水PHP冷凝段中观察到“液桥”回流并与液塞合并的现象。“液桥”与液塞合并时，中间气塞形成小气泡，在“液桥”挤压及冷却作用下，小气泡体积减小，最终在液塞表面破裂。去离子水PHP冷凝段“液桥”合并现象如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F009图9去离子水PHP冷凝段“液桥”合并现象（间隔1/30 s，⑤管，20 W）CTAB/水PHP中，CTAB的吸附增加了气泡的稳定性，使合并时气泡难以破裂。小气泡在液塞带动及浮升力的作用下缓慢停留在大气泡底部，成为原有气泡簇的新增部分；液塞中原有的两个小气泡，同样上行合并为气泡簇。CTAB/水PHP冷凝段“液桥”组成气泡簇状态如图10所示。Basatakoti[10]等进行可视化试验时也在冷凝段发现了离散气泡合成簇的现象。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F010图10CTAB/水PHP冷凝段“液桥”组成气泡簇状态（间隔1/30 s，③管，20 W）不断有“液桥”薄层到达冷凝段时，CTAB水溶液薄层难以合并，且不断堆叠形成气泡簇。CTAB/水PHP冷凝段“液桥”形成气泡簇现象如图11所示。此现象一般仅出现于液塞量较少的单管中。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F011图11CTAB/水PHP冷凝段“液桥”形成气泡簇现象（间隔1/6 s，④管，20 W）CTAB水溶液小气泡在PHP中的上升过程非竖直向上，为旋转上升。CTAB/水PHP冷凝段中气泡的旋转上升现象如图12所示。因为离子水PHP中气泡较少，未发现此现象。Basatakoti[10]等认为，气泡上升方式属于旋流运动，利于换热，可能是强化PHP传热性能的关键因素之一，需要后续进一步试验探究。图9~图12中的现象在各功率段均存在，仅以加热功率20 W为例呈现。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F012图12CTAB/水PHP冷凝段中气泡的旋转上升现象（间隔1/30 s，⑤管，20 W）2.3中等加热功率段（45~75 W）随着加热功率增加，液塞发生相变以及气塞膨胀速度均相应增加，蒸发-冷凝压差将进一步变大。针对去离子水PHP，长液塞能够被汽化核心产生的气泡分隔。去离子水PHP长液塞在蒸发段被气泡分隔现象如图13所示，长液塞在蒸发段短暂停留后，贴近壁面处生长出小气泡[25]，并快速膨胀，将分隔出的短液塞挤压至冷凝段。因为此时管壁温度较高，工质能够较快核态沸腾，工质的表面张力随着温度升高而降低，使沸腾时产生的最小气泡半径更小[26]，利于在蒸发段产生气泡。长液塞的分隔进一步提升了PHP内气液塞震荡的频率，利于PHP的稳定运行。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F013图13去离子水PHP长液塞在蒸发段被气泡分隔现象（间隔1/60 s，⑧管，45 W）CTAB/水PHP的长液塞在蒸发段被气泡分隔现象在加热功率30 W时便能观察到，是由低表面张力带来的核态沸腾强化效果。蒸发段此时可以观察到气泡簇的分解。带有气泡簇的液塞经过蒸发段时，相互紧挨着的气泡簇在蒸发段受热膨胀，气泡间距快速增大，连接气泡簇的液膜破裂，使气泡簇在蒸发段分解。与低加热功率段时的气泡簇膨胀不同，此时气泡簇分解的原因为增大加热功率后，气液塞脉动速度增加，连接气泡簇的液膜在其膨胀时受到的扰动更大；管壁温度升高，液膜在膨胀过程中易被汽化破裂。CTAB/水PHP蒸发段的气泡簇分解现象如图14所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F014图14CTAB/水PHP蒸发段的气泡簇分解现象（间隔1/60s，③管④管，45W）CTAB/水PHP的液塞通过蒸发段时会产生许多致密小气泡，去离子水PHP蒸发段未发现此现象。因为CTAB水溶液表面张力更低，利于沸腾时气泡的产生[26]；CTAB分子的吸附增加了泡沫生成后的稳定性[21]，使蒸发段更易形成较多气泡。小气泡不断生成，使PHP内的小气泡数量增多，60 W时CTAB/水PHP冷凝段的气泡分布与低加热功率段相比，管内小气泡数量明显增加。去离子水PHP冷凝段未发现气泡，仍为常规气液塞分布。CTAB/水PHP在蒸发段产生大量小气泡现象如图15所示。CTAB/水PHP冷凝段气泡分布如图16所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F015图15CTAB/水PHP在蒸发段产生大量小气泡现象（③管④管，60 W）10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F016图16CTAB/水PHP冷凝段气泡分布（②管~⑨管，60 W）2.4高加热功率段（90~105 W）高加热功率下，气塞脉动速度进一步增加，液膜下流速度也增加。此时去离子水PHP及CTAB/水PHP蒸发段的“液桥”刚形成，在巨大压差下快速向冷凝侧移动。去离子水PHP绝热段液膜“碰撞”现象如图17所示。运动过程中，向上运动的液膜与向下流动的液膜发生碰撞，液塞形态被破坏，如图17中白圈所示。该现象是管内工质流速过快的结果，一定程度上阻止了工质由蒸发段运动至冷凝段，可能利于提高PHP传热极限。该现象在中等加热功率段已经出现，但高加热功率段尤其明显。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F017图17去离子水PHP绝热段液膜“碰撞”现象（间隔1/60 s，⑤管，90 W）去离子水PHP冷凝段未明显观察到区别于其他功率段的现象；CTAB/水PHP冷凝段较少观察到气塞与大气泡，能多观察到长液塞包裹大量小气泡，如图18所示。随着加热功率增加，CTAB/水PHP内小气泡的数量逐渐增多。该现象可以从3个方面解释，高加热功率下管内压力较高，减小了气泡尺寸[12]；加热功率的上升增加了液塞的脉动速度，加剧了大气泡的破裂与气泡簇分解现象；随着温度的升高，气泡的稳定性随之下降[27]，使气泡难以持续膨胀。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.010.F018图18CATB/水PHP冷凝段气泡分布（②管~⑨管，105 W）3结语以CTAB水溶液为工质，质量浓度为1 440 mg/kg，充液率为50%，加热功率为10~105 W，以玻璃制PHP用作可视化试验，并与去离子水为工质进行对比，分析气液塞现象与气泡行为，主要结论如下：（1）与去离子水PHP相比，CTAB/水PHP在流型上最大的特点是具有较多气泡，气泡难以破裂，多以气泡簇的形式存在；观察到了CTAB/水PHP中气泡簇的形成、膨胀、与分解。（2）在小功率段（10~30 W），10 W时，去离子水PHP的运行性能不如CTAB/水PHP，该功率段内二者均出现长液塞现象不利于PHP的稳定运行；在中等加热功率段（45~75 W），去离子水PHP的长液塞能够在蒸发段被气泡分隔，CTAB/水PHP在30 W时便产生该现象。（3）中等加热功率时（45~75 W），CTAB/水PHP在蒸发段能够产生大量小气泡，去离子水PHP中未发现相同现象，随着加热功率增加，CTAB/水PHP中的小气泡数量逐渐变多。（4）高加热功率段（90~105 W），液塞中较少观察到气塞与大气泡，能更多观察到长液塞包裹着大量小气泡。