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構，具有高孔隙率、高導熱系數(shù)等特點，在航天航空、高效電子冷卻、建筑節(jié)能等領域具有廣泛的應用前景。由于泡沫金屬的結構復雜性，泡沫金屬內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構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，結合泡沫金屬的孔隙結構特點，在充分分析沸騰相變換熱物理機制的基礎上，對泡沫金屬強化沸騰換熱過程進行了系統(tǒng)研究。具體的研究內容包括:
　　1.多孔介質內氣泡動力學特性的LBM方法模擬研究。將泡沫金屬視為多孔介質，基于泡沫金屬的骨架結構，建立了多孔介質內氣泡動力學行為的物理模型，利用latticeBoltzmann method(LBM)方法模擬等溫條件下孔隙尺度內的氣-液兩相流動。考慮多孔介質內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，模擬氣泡在孔隙結構內的運動形態(tài)?；谠撃Ｐ?，分析多孔介質對氣泡動力學行為的影響，探索氣泡直徑、多孔介質骨架間距以及多孔介質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、聚并行為等動力學行為。研究結果表明，由于多孔介質的存在，在靠近多孔介質的地方，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);合理配置多孔介質結構參數(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。在綜述國內外池狀沸騰試驗裝置現(xiàn)狀并結合實際情況的基礎上，設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，揭示了微觀孔隙結構下池沸騰換熱過程中氣泡在泡沫金屬孔隙內的動力學行為，如氣泡生長、氣液界面動態(tài)變化、氣泡融合等現(xiàn)象。研究結果表明，多孔金屬結構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流動沸騰強化換熱研究。設計并搭建一套用于測定填充泡沫金屬的方管內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)，并且觀測管內流型變化。建立方管內流動沸騰氣液兩相流動與換熱模型，并與實驗結果進行驗證;研究填充泡沫金屬的方管內流動沸騰壓降特性;研究填充泡沫金屬的方管內流動

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壓降為代價的。在應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合的方法研究泡沫金屬內沸騰換熱特性，探索泡沫金屬強化沸騰換熱過程的各種影響因素。相關研究將進一步完善泡沫金屬內氣液兩相