燒結(jié)金屬多孔材料的性能及其在低溫流體中的沸騰和相分離特性研究.pdf

1、燒結(jié)金屬多孔材料由于其內(nèi)部孔隙的存在而呈現(xiàn)出有別于金屬致密物的特殊性能,被視為最有前途的功能材料之一,在新能源、節(jié)能、航天航空、高效冷卻等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,低溫流體的應(yīng)用正變得越來(lái)越廣泛。對(duì)低溫流體,包括液氮、液氫,對(duì)燒結(jié)多孔表面上池沸騰換熱性能的研究對(duì)其在航天、電子冷卻、低溫生物醫(yī)療、超導(dǎo)磁體與電纜冷卻等領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常重要的意義。對(duì)于液氦,燒結(jié)金屬多孔材料在超流氦中的相分離特性是其能在空間無(wú)重力條件下有效

2、防止超流氦向外太空泄漏,完成超流氦的氣液相分離,實(shí)現(xiàn)空間液體有效管理的重要基礎(chǔ)。
　　對(duì)燒結(jié)金屬多孔材料的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,測(cè)試了多孔材料的孔隙率;在自然斷裂表面掃描電鏡(SEM)圖像基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像處理與分析,得到面孔隙率以及平均孔徑與孔徑分布特征;設(shè)計(jì)了以達(dá)西定律為依據(jù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)滲透系數(shù)和透氣度進(jìn)行測(cè)試,并系統(tǒng)分析了原始粉末粒度、孔隙率、厚度、低溫工況、平均孔徑以及孔徑分布等因素對(duì)滲透性能的影響;使用hot disk

3、熱導(dǎo)測(cè)試裝置測(cè)量了有效熱導(dǎo)率,并與經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)結(jié)果作比較。結(jié)果表明,面積平均孔徑與孔徑分布特征能有效反映透氣度的變化規(guī)律;厚度對(duì)燒結(jié)金屬多孔材料的孔隙率和滲透系數(shù)有著重要的影響,厚度越小,原始粉末顆粒的直徑越大,壁面效應(yīng)越明顯;低溫工況不會(huì)改變燒結(jié)金屬多孔材料的滲透性能。
　　開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)難度較大的液氮池沸騰實(shí)驗(yàn),合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置克服了低溫密封、隔熱等難點(diǎn),迄今第一次獲得了在光滑銅表面、顆粒燒結(jié)金屬多孔表面和燒結(jié)泡沫金屬表面上的液

4、氮池沸騰換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)眾多研究者在燒結(jié)多孔表面上池沸騰實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的眾多相互矛盾的結(jié)論進(jìn)行了分析,確定換熱規(guī)律;建立熱阻模型描述了在不同池沸騰換熱階段的主要換熱機(jī)理,并分析了流體工質(zhì)、厚度、孔徑等不同參數(shù)對(duì)沸騰換熱的影響。對(duì)池沸騰過(guò)程中的遲滯現(xiàn)象進(jìn)行了研究,并對(duì)換熱表面上的氣泡狀況進(jìn)行了可視化觀察,有助于對(duì)換熱規(guī)律的更深刻認(rèn)識(shí)。獲得了如下結(jié)論:(1)低溫流體液氮的表面張力、接觸角和飽和溫度都相對(duì)較小,在很低的壁面過(guò)熱度下就能在加熱

5、表面上形成大量氣泡,開(kāi)始核態(tài)沸騰換熱過(guò)程。顆粒燒結(jié)多孔表面對(duì)沸騰起始階段的換熱強(qiáng)化不明顯;燒結(jié)泡沫金屬表面上存在大量有效汽化核心,且表面對(duì)流換熱劇烈,池沸騰起始階段的壁面過(guò)熱度下降,換熱系數(shù)增大。(2)在光滑表面上的液氮池沸騰的換熱曲線滿足典型的核態(tài)沸騰換熱規(guī)律。燒結(jié)金屬多孔表面上的池沸騰換熱起始階段換熱系數(shù)較大,隨著熱流密度的增大,沸騰換熱曲線趨于平緩,換熱系數(shù)減小并維持基本不變。在熱流密度較大區(qū)域,兩種不同的燒結(jié)金屬多孔表面都呈現(xiàn)出

6、對(duì)沸騰換熱的強(qiáng)烈抑制作用。(3)隨著熱流密度的增大,燒結(jié)金屬多孔表面上的池沸騰換熱經(jīng)歷核態(tài)沸騰階段和表面沸騰階段。在核態(tài)沸騰階段,主要受到流體特征控制,換熱表面的氣泡生長(zhǎng)所消耗的潛熱以及氣流擾動(dòng)所導(dǎo)致的對(duì)流換熱是最主要的換熱機(jī)理。在表面沸騰階段,控制燒結(jié)多孔表面上沸騰換熱過(guò)程的主要換熱機(jī)理是表面的核態(tài)沸騰換熱和多孔層的氣膜導(dǎo)熱。(4)燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的毛細(xì)抽力,可以不停地維持冷卻流體供應(yīng),使表面核態(tài)沸騰狀況能夠長(zhǎng)時(shí)間的維持下去,即使熱

7、流密度加到很大仍不會(huì)出現(xiàn)臨界熱流密度CHF狀況。(5)燒結(jié)多孔層的厚度越大,對(duì)氣泡的阻礙越大,越容易在多孔層內(nèi)部形成氣膜,表面的池沸騰更早進(jìn)入表面沸騰階段。(6)遲滯現(xiàn)象主要在核態(tài)沸騰換熱過(guò)程中發(fā)生,并且對(duì)換熱系數(shù)的削弱非常明顯,表面沸騰過(guò)程中沒(méi)有觀察到明顯遲滯現(xiàn)象。
　　對(duì)燒結(jié)金屬多孔材料制成的多孔塞分離器在低溫流體超流氦中的相分離特性進(jìn)行了研究,運(yùn)用超流氦二流體模型和Hagen-Poiseuille定律等對(duì)多孔塞相分離器流量特