In the present study, a one-dimensional numerical model for pulsating heat pipes (PHPs) was presented. The balance equations of mass, momentum, and energy were solved for liquid slugs, vapor plugs and also for liquid films, along with the heat conduction equation for the tube wall. In the present study, the spatial and temporal variations in the liquid-film thickness were directly simulated, and the film was allowed to dry out when the local thickness decreased to the roughness height of the tube wall. Using previous experimental data, the present liquid-film model was examined along with the other liquid-film models. For a self-sustained oscillation of a unit-cell, a previous model neglecting the film dynamics could not predict the oscillating motion. The predictions of the other models considering the film dynamics depended largely on the fitting parameter on the film thickness. In the present model, a constitutive model on the initial film thickness was introduced, and the interfacial thermal resistance at the film-vapor interface was safely removed through a sensitivity test. The present numerical model predicted most of the experimental data not only for vertical PHPs but also for horizontal and inclined PHPs having various different parameters, within 20% error. Similarly to the case of the unit-cell, the previous liquid-film models could not predict the oscillating motion of the fluid inside a horizontal PHP, or the predicted thermal performance was strongly dependent on the fitting parameters. Also, the thermodynamic state of a vapor plug was always in saturation condition as long as the vapor plug is closely surrounded by liquid film, while the vapor plug can be locally superheated where the film is dried and the superheated wall is exposed. For a vertical PHP, on the other hand, circulating motion was predicted regardless of the film models, and the role of the film dynamics on the prediction of thermal performance was not significant if the number of turns were comparably small. In this case, the thermodynamic state of a vapor plug was almost always in saturation condition due to the continuous liquid supply. If the number of turns is larger than the critical number, the thermal performance was orientation-independent. The fluid motion and the thermodynamics state of vapor plugs were similar to the case of a horizontal PHP, regardless of the orientation. The present model is considered the first to predict the thermal performance of a horizontal PHP without introducing any fitting parameters.
본 연구를 통해서 진동형 히트파이프의 수치 해석을 위한 1차원 수치 모델이 제시되었다. 액체 슬러그, 기체 플러그 및 액막에 대해 각각 질량, 운동량 및 에너지 균형방정식이 계산되었고, 또한 관벽의 열전도 방정식이 함께 계산되었다. 본 연구에서는 액막 두께의 시공간적 변화를 가정 없이 직접 시뮬레이션 하였는데, 계산 중에 액막의 국지적 두께가 관 내벽의 거칠기보다 얇아지면 국지적 드라이아웃이 발생하는 것으로 가정하였다. 기존의 실험 데이터들을 이용하여 본 연구의 모델과 기존의 액막 모델들을 평가하였다. 액막의 동특성을 고려하지 않는 기존 모델의 경우, 단일 액체 슬러그와 단일 기체 플러그로 이루어진 단일-셀의 자가 진동을 예측할 수 없었으며, 액막의 동특성을 고려하는 다른 모델들도 액막의 두께에 관한 피팅 계수에 따라 예측 결과가 크게 달라지는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 액막의 초기 두께에 관한 세부 모델을 도입하였으며, 기-액 경계면의 열저항을 민감도 평가를 통해 안전하게 제거할 수 있였다. 본 연구의 수치해석 모델은 다양한 변수를 가진 수직, 수평 및 기울어진 진동형 히트파이프에 대해서 대부분의 실험 데이터를 20% 오차범위 내에서 예측하였다. 수평 진동형 히트파이프의 경우도, 단일-셀에서와 마찬가지로 기존의 모델들은 진동을 예측할 수 없거나 피팅 계수에 따라 성능예측이 크게 달라짐을 확인하였다. 또한 수평 진동형 히트파이프의 기체 플러그는 액막이 젖어있는 동안 항상 포화상태를 유지하고, 액막이 국지적으로 말라서 과열된 관벽이 노출되면 국지적 과열상태가 나타나는 것이 예측되었다. 이와 달리 수직 진동형 히트파이프의 경우, 턴수가 상대적으로 작으면 액막 모델에 관계없이 항상 순환 유동이 예측되었고, 액막의 동특성이 열성능 예측에 미치는 영향도 크지 않았다. 이 경우, 기체 플러그는 거의 항상 포화상태를 유지하였다. 턴수가 충분히 큰 수직 진동형 히트파이프의 경우, 열성능은 진동형 히프파이프의 방향에 상관없는 값을 가지며, 이 때의 유동과 기체의 열역학적 상태 또한 방향에 상관없이, 수평 진동형 히트파이프와 유사한 특성을 갖는다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 제시된 수치모델은 임의의 수정계수 없이 수평 진동형 히트파이프의 열성능을을 예측할 수 있는 최초의 모델이다.