仿真产学研用：热管技术在电子散热/岩土工程/核安全/化学反应器中应用

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导读：热管是一种热传递设备，广泛应用于电子设备、航天器件等领域。目前，热管在电子产品中的散热方面发挥着至关重要的作用，随着电子产品功率的不断提高，热管的应用前景更为广阔。其优势主要体现在高效的热导率、紧凑的结构以及可靠的运行。热管的工作原理是通过液态工质在热管内流动，将热量从热源传递到热沉，实现高效散热。这种被动式的热传递方式使得热管在一些特殊环境和工况下表现出色，如微重力环境和高温高压条件。

南京工业大学能源科学与工程学院副教授陶汉中课题组，聚焦于高效传热传质设备，特别是热管技术的应用研究。涉及电子散热、工业余热回收、岩土工程、化学反应器以及核安全等诸多方面。2024年2月1日16时，由仿真秀主办“仿真产学研用”系列讲座第二期将邀请南京工业大学陶汉中副教授做《热管技术在电子散热/岩土工程/核安全/化学反应器中应用》重点探讨热管的应用现状及展望，以及热管的认识、优势和应用领域。以及从热管的结构分析、工作原理、材料特性等方面详细阐述热管技术的现状和未来发展趋势。也将为学习者介绍热管技术中设计仿真应用。详情见后文，欢迎分享收藏。

一、热管技术应用现状

热管是一种热传递设备，广泛应用于电子设备、航天器件等领域。目前，热管在电子产品中的散热方面发挥着至关重要的作用，随着电子产品功率的不断提高，热管的应用前景更为广阔。其优势主要体现在高效的热导率、紧凑的结构以及可靠的运行。热管的工作原理是通过液态工质在热管内流动，将热量从热源传递到热沉，实现高效散热。这种被动式的热传递方式使得热管在一些特殊环境和工况下表现出色，如微重力环境和高温高压条件。

在本课题组的研究中，我们关注热管在新能源等领域的潜在应用，力求推动热管技术的发展，在以下几个方面有创新性突破：

1、电子散热领域

热管技术在充电桩、基站柜、储能电池等领域广泛应用，通过高效热传导提升设备散热效能，提高系统稳定性和寿命。这种先进技术有效解决了高功率设备热管理难题，为电动汽车充电、通信基站等关键应用提供了可靠保障，推动了新能源和通信行业的发展。

2、工业余热回收领域

热管技术在工业余热回收中扮演着关键角色，其卓越的热传导性能有效捕获和转移工业过程中的余热，实现能源的高效回收与再利用。这不仅提高了生产的能源利用效率，还有助于减少环境负担，为可持续发展贡献了重要力量。

3、岩土工程领域

热管技术在岩土工程中发挥重要作用，如在青藏铁路和路面降温中应用广泛。通过热管的高效热传导，能够实现对地基和路面的温度控制，防止因温度波动引起的地基沉降和路面龟裂。这项技术不仅提升了工程的稳定性和耐久性，还有助于减轻对环境的不利影响，为岩土工程的可持续发展提供了可靠支持。

4、化学反应器领域

热管技术在化学反应器领域展现了卓越的性能。通过其高效的热传导特性，能够有效控制反应器内部温度，提高反应过程的精确性和效率。这项技术可用于控制放热反应的温度，防止过热和提高反应选择性。此外，热管还能优化催化剂的工作温度，增强催化反应效果。在化学工业中，热管的应用不仅提高了生产过程的稳定性，还促进了能源效益和产品质量的提升。

5、核安全领域

热管技术在核安全领域具有重要应用。它被广泛用于核反应堆中，通过高效的热传导控制核燃料的温度，防止过热事故的发生。此外，热管还用于冷却核设施中的关键部件，确保系统的稳定性和安全性。在核废料管理中，热管也可用于热移动和温度控制，减缓放射性废料的衰变速度。这一技术的应用有助于提高核能系统的运行效率，确保核安全，为清洁能源领域的可持续发展作出了贡献。

6、其他领域

热管技术在汽车工业中发挥着重要作用，尤其是在汽车空调和新风系统中的应用。通过热管，可以高效实现空调系统的除湿功能，提高车内空气质量，减少雾气和提升驾驶安全性。在新风系统中，热管可调节新风的温度，使其更适合车内环境。这项技术不仅提供了舒适的驾驶体验，还有助于提高汽车能效，降低能源消耗。因此，热管在汽车空调和新风系统中的应用为汽车工业带来了技术创新和环境友好的效益。

二、热管技术中数值仿真模拟

热管技术在工程应用中的重要性逐渐凸显，数值仿真模拟是研究热管及热管系统传热特性的重要手段，是推动热管技术及其发展的关键。数值仿真模拟有助于深入研究热管在不同工况下的传热行为，模拟热管内部的流体流动、相变过程、温度分布等关键参数，为工程师和研究人员提供了一种高效而准确的手段，以优化热管设计、改进传热性能。

1、数值模拟仿真推动了热管技术的进步

在仿真过程中，可以考虑不同工质、工作温度和压力下的热管性能。通过调整仿真模型的参数，可以模拟热管在各种环境条件下的工作情况，从而获取更全面的传热特性数据。这对于应用热管于特定工程领域、优化散热系统设计以及提高能效都具有重要意义。

此外，数值模拟仿真还能够帮助预测潜在的热管故障或性能不佳的情况。通过模拟可能的异常情况，可以在实际应用中提前识别潜在问题并采取相应的改进措施，提高热管系统的可靠性和稳定性。

热管传热特性的研究涵盖了沸腾、冷凝、液泛等多个方面，通过数值模拟方法可以深入挖掘了其复杂的流动和传热机制。这些研究不仅推动了热管技术的进步，也为工程领域提供了重要的设计指导。

2、数值模拟仿真在热管技术中案例应用

例如对垂直圆管和扁平管内的沸腾传热性能以及冷凝传热性能进行研究。通过研究压扁率、质量流速等参数，揭示了对热管系统设计的重要方向，为传热效率的优化提供有力支持。

图1. 重力热管传热性能模拟研究

或者针对倾斜管道中液泛现象进行研究。绝热条件下构建的平衡力模型揭示了液泛现象中气液两相相互作用及其发展运动过程，而在冷凝条件下引入了冷凝相变传热模型，深入研究了液泛现象的流动和传热特性。

图2. 倾斜管道中液泛现象的数值模拟研究

我们还可以研究两相闭式热虹吸管内两相流动特性，探讨壁面温度分布、汽液两相流动特性、蒸发段瞬态温度分布等多个方面，为实际工程应用提供重要的理论支撑。

图3. 两相闭式热虹吸管内两相流动特性数值模拟研究

热管技术作为一种高效的热传输设备，在不同领域展现出广泛的应用前景，我们同样可以利用仿真模拟软件对热管系统进行深度分析。例如，对液-液式热管换热器进行研究可以提高传热性能和可靠性。

图4. 液-液式热管式换热器流动传热性能

对基于热管的密闭式EV充电桩创新设计，通过相变传热实现充电模块的完全密闭，提高使用寿命并降低维护难度；对热管-热电制冷系统在通信基站柜的应用解决通信设备内部问题，通过研究空气流量和环境温度优化温度控制系统，提高热管理质量和设备寿命。

图5. 充电桩/基站电子散热研究

基于热管的闭式储能电池PACK研究致力于提高散热性能，采用封闭式设计减少冷却和清洁成本，通过热管冷却系统大幅提高可靠性。

图6. 热管式电池PACK散热

热管水冷法冷却沥青路面的可行性研究关注改善路面散热，通过三维模型和数值模拟评估热管冷却系统性能，对道路工程建设和路面散热效果具有重要意义。

图7. 热管水冷法冷却沥青路面

总体而言，使用模拟仿真软件对热管及热管传热特性的研究可以揭示热管技术在不同应用场景下的传热特性和潜在优势，为热管技术的设计和应用提供科学依据和实践经验，促进其在各个领域的进一步发展。

二、仿真产学研用公开课-热管技术

为促进学术交流，积极组织用户互动交流活动，包括学术研讨会和行业沟通会。通过分享经验和成果，不断推动热管技术的创新和应用，为相关领域的发展贡献力量。2024年2月1日16时，由仿真秀主办“仿真产学研用”系列讲座第二期将邀请南京工业大学陶汉中副教授做《热管技术在电子散热/岩土工程/核安全/化学反应器中应用》重点探讨热管的应用现状及展望，以及热管的认识、优势和应用领域。以及从热管的结构分析、工作原理、材料特性等方面详细阐述热管技术的现状和未来发展趋势。也将为学习者介绍热管技术中设计仿真应用。

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2024仿真产学研用（二） : 热管技术在电子散热/岩土工程/核安全/化学反应器中应用-仿真秀直播