摘要
摘要
海底热液是地热能在海底的一种表现形式，作为一种可再生、储量大且分布广泛的
高热能流体具有极大的开采价值，但目前在对深海地热的提取上存在诸多难点，需要克
服深海的高压环境、热液区内的高腐蚀环境以及热液口狭长通道的限制等一系列问题。
热管作为一种高效换热元件相较管壳式、板式等换热器，不需要热液通过复杂的换热壁
面，因此在一定程度上可以克服深海复杂环境产生的杂质沉积、微生物附着导致的换热
器堵塞失效问题。本文以重力热管为研究对象，首先针对目前相变模型中难以控制热管
内质量平衡的问题，对热管内气液相变模型进行修正；其次设计了用于海底热液区热能
提取的重力热管，并基于修正模型进行模拟，对其流动与传热特性进行了分析；最终针
对热管的冷凝液积累现象，设计了一种内置导流管的热管，通过模拟对其对热管的流动
与传热特性的影响进行分析，主要研究结果如下：
（1）对热管的气液相变模型的修正，本文针对传统相变模型Lee模型进行修正，
?
通过将Lee模型中的冷凝系数进行修正，通过引入汽液相比例和蒸发量与冷凝量的
c
?
关系，控制进行动态修正。通过前人实验对模型进行验证，发现在热管管壁温度上模
c
拟值与实验高度吻合，同时新模型能够将管内汽液相比例控制在合理范围内，保证了管
内的质量平衡，同时还发现在一定充液率和热流密度条件下热管会出现间歇沸腾的现象。
（2）基于深海高压环境，设计了一种常规圆管重力热管，随后采用修正模型对所设
计热管流动与传热进行了数值模拟，探究了充液率和管径对热管的换热影响，结果表明，
在不同管径下热管由0.1充液率提升至0.2时热性能均能得到提升，但当提升至0.3充
液率时20mm管和30mm管出现冷凝液回流出现困难的问题，冷凝液会在冷凝段积累，
而40mm管在0.4充液率时才出现问题，该现象的会导致热管传热性能出现下降。
（3）针对常规重力热管高充液率下出现的冷凝液积累的现象，对热管内部结构进
行优化设计，通过在热管中插入导流管的方式来促进积累在冷凝段的液体继续向下回流，
并探究了不同长度导流管对各管径下热管的影响；研究发现，在热管内未出现积液现象
时导流管对热管换热呈抑制作用，当热管出现积液现象时，较短的导流管对热管呈现负
面作用，可能会加剧冷凝液积累的现象，而长导流管，可以将冷凝液有效的输送至热管
底部，极大提升热管的换热效果，且当积液现象越严重时，该提升效果越强。
关键词：重力热管；相变模型；导流管；传热特性。
Abstract
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Hydrothermalventisaformofgeothermalenergyontheseabed.Asarenewable,large
reservesandwidelydistributedhighthermalenergyfluid,ithasgreatexploitationvalue.
However,therearemanydifficultiesintheextractionofdeep-seageothermal,suchasthehigh-
pressureenvironmentinthedeepsea,thehighcorrosionenvironmentinthehydrothermalarea,
andthelimitationofthenarrowpassageofthehydrothermalmouth.Asahigh-efficiencyheat
exchanger,heatpipesdonotneedhydrothermalfluidtopassthroughcomplexheatexchanger
wallscomparedwithshell-and-tub