泡沫金屬強化沸騰傳熱過程的研究.pdf

1、泡沫金屬由于其特有的微觀骨架結(jié)構(gòu)，具有高孔隙率、高導(dǎo)熱系數(shù)等特點，在航天航空、高效電子冷卻、建筑節(jié)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于泡沫金屬的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，泡沫金屬內(nèi)氣液相變強化傳熱機理研究尚不清晰。目前泡沫金屬強化沸騰傳熱的研究主要在宏觀層面展開，以實驗研究為主，通過實驗數(shù)據(jù)分析，獲得經(jīng)驗理論計算公式。然而泡沫金屬強化沸騰換熱的實驗研究還不夠充分，同時泡沫金屬微觀孔隙結(jié)構(gòu)對氣液兩相流動和換熱過程的影響尚未闡明。本論文針對現(xiàn)有泡沫金屬強化沸

2、騰換熱研究的不足，結(jié)合泡沫金屬的孔隙結(jié)構(gòu)特點，在充分分析沸騰相變換熱物理機制的基礎(chǔ)上，對泡沫金屬強化沸騰換熱過程進行了系統(tǒng)研究。具體的研究內(nèi)容包括:
　　1.多孔介質(zhì)內(nèi)氣泡動力學(xué)特性的LBM方法模擬研究。將泡沫金屬視為多孔介質(zhì)，基于泡沫金屬的骨架結(jié)構(gòu)，建立了多孔介質(zhì)內(nèi)氣泡動力學(xué)行為的物理模型，利用latticeBoltzmann method(LBM)方法模擬等溫條件下孔隙尺度內(nèi)的氣-液兩相流動?？紤]多孔介質(zhì)內(nèi)流體間以及流固間的相

3、互作用力，采用多組分單松弛的Shan-Chen模型，模擬氣泡在孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)的運動形態(tài)?；谠撃Ｐ停治龆嗫捉橘|(zhì)對氣泡動力學(xué)行為的影響，探索氣泡直徑、多孔介質(zhì)骨架間距以及多孔介質(zhì)骨架布置方式對氣泡上升速度的影響，研究流場對氣泡運動特性的影響。在研究單個氣泡運動特性及其運動過程的基礎(chǔ)上，考慮氣泡之間和氣泡與流體之間的相互作用力，研究多個氣泡運動過程中的運動軌跡、聚并行為等動力學(xué)行為。研究結(jié)果表明，由于多孔介質(zhì)的存在，在靠近多孔介質(zhì)的地方，兩相

4、流流場發(fā)生了改變，流線發(fā)生彎曲，從而改變氣泡運動速度和運動形態(tài);合理配置多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以加快氣泡的運動速度，從而強化氣液兩相流動與換熱過程。研究結(jié)果有助于深入認識泡沫金屬強化沸騰換熱過程。
　　2.含有泡沫金屬的加熱表面過冷池沸騰相變換熱試驗研究。在綜述國內(nèi)外池狀沸騰試驗裝置現(xiàn)狀并結(jié)合實際情況的基礎(chǔ)上，設(shè)計并搭建一套用于測定泡沫金屬強化池狀沸騰傳熱性能的試驗裝置，研究含有泡沫金屬的加熱表面過冷池沸騰相變換熱特性，揭示加熱表面相

5、變換熱性能的作用機理和影響因素，如泡沫金屬pores per inch(PPI)值、熱流密度、加熱面傾角等。重點探索基于孔隙尺度的可視化試驗研究方法，揭示了微觀孔隙結(jié)構(gòu)下池沸騰換熱過程中氣泡在泡沫金屬孔隙內(nèi)的動力學(xué)行為，如氣泡生長、氣液界面動態(tài)變化、氣泡融合等現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，多孔金屬結(jié)構(gòu)對氣泡運動過程和形態(tài)變化具有重要影響。當泡沫金屬PPI值增大時，其孔隙數(shù)目增多，孔隙直徑減小，換熱面積增大，沸騰氣泡核心增多，但是泡沫金屬的滲透率減

6、小，增大流體流動阻力和氣泡逃逸阻力;當泡沫金屬厚度增大時，換熱面積增大，沸騰成核點增多，流體流動阻力和氣泡逃逸阻力增大。
　　3.填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動沸騰強化換熱研究。設(shè)計并搭建一套用于測定填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動沸騰強化換熱研究的試驗裝置，記錄試驗過程中溫度和壓力等參數(shù)，并且觀測管內(nèi)流型變化。建立方管內(nèi)流動沸騰氣液兩相流動與換熱模型，并與實驗結(jié)果進行驗證;研究填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動沸騰壓降特性;研究填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動

7、沸騰換熱特性，探索其換熱特性的影響因素，如泡沫金屬PPI值、熱流密度、質(zhì)量流量等。當泡沫金屬的PPI值增大時，試驗段的換熱系數(shù)和單位壓降ΔP增大。因此，泡沫金屬提高流動沸騰換熱性能是以增大管內(nèi)壓降為代價的。在應(yīng)用泡沫金屬強化兩相換熱的過程中，需要綜合考慮換熱和壓降性能，以作出合適的選擇。
　　本文采用理論與試驗相結(jié)合的方法研究泡沫金屬內(nèi)沸騰換熱特性，探索泡沫金屬強化沸騰換熱過程的各種影響因素。相關(guān)研究將進一步完善泡沫金屬內(nèi)氣液兩相