In this thesis, the thermal performance of pulsating heat pipes is numerically optimized in terms of the number of turns and the channel diameter under the constraint of fixed space. Thermal optimization is performed for tubular pulsating heat pipes and flat-plate pulsating heat pipes. For this, numerical models for predicting the thermal performance of tubular pulsating heat pipes and that of flat-plate pulsating heat pipes are developed, respectively. To predict the thermal performance of tubular pulsating heat pipes, a one-dimensional slug/plug flow model is developed. Conjugate heat transfer between the solid wall and oscillating liquid slugs/vapor plugs is simulated. The solid wall and liquid films are described in the Eulerian reference frame which is fixed in space while liquid slugs and vapor plugs are described in the Lagrangian reference frame which follows the corresponding liquid slugs and vapor plugs. Heat transfer between the solid wall and liquid slugs/vapor plugs is classified into sensible heat transfer via the oscillation of liquid slugs and latent heat transfer via liquid films enclosing vapor plugs. The liquid film thickness can vary as a result of evaporation or condensation, therefore fitting parameters with regard to the liquid film thickness are not required. Merging of liquid slugs and the formation of new vapor plugs by nucleation are also accounted for. Based on the developed slug/plug flow model, a new numerical model for predicting the thermal performance of flat-plate pulsating heat pipes is proposed. To consider heat transfer between two adjacent channels through heat conduction, a three-dimensional heat conduction model is combined with the developed slug/plug flow model. The flow inside the channels is treated in one dimension while heat conduction within the substrate material and conjugate heat transfer between the solid wall and liquid slugs/vapor plugs are treated in three dimensions. The developed numerical models are validated by comparing the numerical results with the experimental data available in literature. Using the developed models, flow and heat transfer characteristics of pulsating heat pipes are numerically investigated. Finally, the thermal performance of pulsating heat pipes is numerically optimized in terms of the channel diameter and the number of turns, under the constraints of fixed space and fixed section lengths. The optimum number of turns appears because either an increase of the number of turns or an increase of the channel diameter enhances the thermal performance but these two variables are limited by each other from the geometric point of view. A merit number is proposed to find an optimum number of turns of pulsating heat pipes under the constraints of fixed space and section lengths. It is numerically found that the thermal performance is optimized when the merit number is maximized. Therefore, the proposed merit number provides a design guideline for pulsating heat pipes under the constraints of fixed space and section lengths.
본 연구에서는 제한된 공간 하에서 진동형 히트파이프의 열성능을 턴 수와 직경의 관점에서 수치적으로 최적화 하였다. 관형 진동형 히트파이프와 평판 진동형 히트파이프에 대한 최적화가 수행되었으며, 이를 위해 관형 진동형 히트파이프와 평판 진동형 히트파이프의 열성능을 예측하기 위한 수치해석 모델이 각각 개발되었다. 관형 진동형 히트파이프의 열성능을 예측하기 위해, 일차원 슬러그 플러그 유동 모델이 개발되었다. 고체 벽면과 진동하는 액체 슬러그/기포 플러그의 사이의 복합 열전달이 모사되었다. 고체 벽면과 액막은 공간상에 고정되어 있는 오일러리안 기준 프레임 (Eulerian reference frame) 하에서, 액체 슬러그와 기포 플러그는 그것들을 따라서 움직이는 라그랑지안 기준 프레임 (Lagrangian reference frame) 하에서 묘사되었다. 고체 벽면과 액체 슬러그/기포 플러그 사이의 열전달은 액체 슬러그에서의 단상 열전달과 기포 플러그를 둘러싼 액막을 통한 상변화 열전달로 구분되었다. 액막의 두께와 길이는 증발 혹은 응축으로 인해 변화할 수 있는 것으로 고려하였고, 그에 따라 본 연구에서 제안하는 모델은 액막의 두께와 관련된 조정계수 없이 진동형 히트파이프의 열성능을 예측할 수 있다. 또한 액체 슬러그들의 병합, 핵 비등에 의한 기포 플러그의 생성이 고려되었다. 개발된 관형 진동형 히트파이프 열성능 예측 모델을 기반으로 하여, 평판 진동형 히트파이프의 열성능 예측을 위한 새로운 수치해석 모델이 제안되었다. 인접한 채널간의 열 전도를 통한 열교환을 고려하기 위해, 삼차원 열전도 모델과 개발되었던 일차원 슬러그/플러그 유동 모델이 결합되었다. 채널 내부의 유동은 일차원으로, 평판 내부의 열전도와 고체 벽면과 액체 슬러그/기포 플러그 사이의 열전달은 삼차원으로 기술되었다. 개발된 수치해석 모델들은 선행 연구의 실험 데이터와의 비교를 통해 검증되었다. 개발된 모델을 활용하여, 진동형 히트파이프 내부의 유동 특성과 열전달 특성이 수치적으로 조사되었고, 이를 바탕으로 제한된 공간, 고정 섹션 길이 조건 하에서, 진동형 히트파이프의 열성능이 턴 수와 직경의 관점에서 최적화 되었다. 제한된 공간 하에서, 턴 수와 직경의 증가는 모두 진동형 히트파이프의 열성능을 향상시키지만, 두 변수는 기하학적 관점에서 서로를 제한하기 때문에 최적 턴수가 나타나게 된다. 최종적으로 제한된 공간, 고정 섹션 길이조건 하에서의 턴 수 최적화를 위해 메리트 수가 제안되었으며, 메리트 수가 최대가 될 때 열성능이 최적화되는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제안된 메리트 수는 제한된 공간, 고정 섹션 길이조건 하에서 진동형 히트파이프의 디자인 가이드라인을 제공한다.