泡沫金屬?gòu)?qiáng)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(diǎn)，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(qiáng)化傳熱機(jī)理研究尚不清晰。目前泡沫金屬?gòu)?qiáng)化沸騰傳熱的研究主要在宏觀層面展開，以實(shí)驗(yàn)研究為主，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，獲得經(jīng)驗(yàn)理論計(jì)算公式。然而泡沫金屬?gòu)?qiáng)化沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)研究還不夠充分，同時(shí)泡沫金屬微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)氣液兩相流動(dòng)和換熱過程的影響尚未闡明。本論文針對(duì)現(xiàn)有泡沫金屬?gòu)?qiáng)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(diǎn)，在充分分析沸騰相變換熱物理機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)泡沫金屬?gòu)?qiáng)化沸騰換熱過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體的研究?jī)?nèi)容包括:
　　1.多孔介質(zhì)內(nèi)氣泡動(dòng)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(dòng)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(dòng)。考慮多孔介質(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(yùn)動(dòng)形態(tài)?；谠撃Ｐ?，分析多孔介質(zhì)對(duì)氣泡動(dòng)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(duì)氣泡上升速度的影響，研究流場(chǎng)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)特性的影響。在研究單個(gè)氣泡運(yùn)動(dòng)特性及其運(yùn)動(dòng)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(gè)氣泡運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡、聚并行為等動(dòng)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(chǎng)發(fā)生了改變，流線發(fā)生彎曲，從而改變氣泡運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度，從而強(qiáng)化氣液兩相流動(dòng)與換熱過程。研究結(jié)果有助于深入認(rèn)識(shí)泡沫金屬?gòu)?qiáng)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(yàn)研究。在綜述國(guó)內(nèi)外池狀沸騰試驗(yàn)裝置現(xiàn)狀并結(jié)合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建一套用于測(cè)定泡沫金屬?gòu)?qiáng)化池狀沸騰傳熱性能的試驗(yàn)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(jī)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(diǎn)探索基于孔隙尺度的可視化試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)行為，如氣泡生長(zhǎng)、氣液界面動(dòng)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(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)過程和形態(tài)變化具有重要影響。當(dāng)泡沫金屬PPI值增大時(shí)，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(dòng)阻力和氣泡逃逸阻力;當(dāng)泡沫金屬厚度增大時(shí)，換熱面積增大，沸騰成核點(diǎn)增多，流體流動(dòng)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(dòng)沸騰強(qiáng)化換熱研究。設(shè)計(jì)并搭建一套用于測(cè)定填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰強(qiáng)化換熱研究的試驗(yàn)裝置，記錄試驗(yàn)過程中溫度和壓力等參數(shù)，并且觀測(cè)管內(nèi)流型變化。建立方管內(nèi)流動(dòng)沸騰氣液兩相流動(dòng)與換熱模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;研究填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降特性;研究填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)

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(dāng)泡沫金屬的PPI值增大時(shí)，試驗(yàn)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(dòng)沸騰換熱性能是以增大管內(nèi)壓降為代價(jià)的。在應(yīng)用泡沫金屬?gòu)?qiáng)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(yàn)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?gòu)?qiáng)化沸騰換熱過程的各種影響因素。相關(guān)研究將進(jìn)一步完善泡沫金屬內(nèi)氣液兩相