（化工过程机械专业论文）多孔泡沫金属换热器流体流动和传热特性的研究.pdf

博士学位论丈 摘要 在全球气候变暖和能源短缺的当今，节约能源已成为首要任务。降低产品能 耗已成为主要的研究课题。开发新能源和新材料、减少已有能源与材料的消耗， 已成为广大科技工作者共同努力的新课题。超轻多功能多孔泡沫金属材料因其优 良的结构效率和广泛的应用前景，近年来成为众多研究者所关注的热点。多孔介 质传热传质的研究，是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创新具有深远 影响的研究课题，已成为国内外工程热物理、地球和环境科学中最活跃的前沿研 究领域之一。多孔介质材料因具有骨架表面发射率和导热能力均比气体大得多、 极高的比表面积、使得流体与骨架间充分接触、低r e y n o l d s 数时湍流度的增加 等特性，能大大地强化传热。然而，人们对于这种传热的强化在很大程度上只是 一个定性的认同，至今为止缺乏一个关于多孔介质换热器的定量设计准则。 本文对以多孔泡沫金属的孔隙作为单相流体通道的多管型管壳式换热器作 了流动和换热的研究，主要进行了如下几项内容的工作并取得了相应的结论： 1 、采用考虑了多孔介质的压差渗透、流体流动的惯性力、粘性摩擦力的 b r i n k m a n - e x t e n d e dd a r c y 流动模型和局部非热平衡的传热理论，对多管型管 壳式换热器的壳程流体沿传热管轴线的层流对流传热进行了理论研究，得出 了恒热流条件下壳程流体的速度分布、温度分布、压力降和对流传热系数的 表达式，并对整个换热器内管程和壳程流体的流动和传热的均匀性进行了分 析； 2 、采用在b r i n k m a n - e x t e n d e dd a r c y 流动模型基础上再考虑多孔介质对流体的形 状拖拽作用的b r i n k m a n f o r c h h e i m e r - e x t e n d e dd a r c y 流动模型，并分别采用局 部热平衡和局部非热平衡两种不同的传热理论，对流体掠过多孔介质中平板 的层流对流传热进行了理论研究，得出了两种不同传热情况下的边界层内流 体的速度分布、温度分布、平板表面对流传热系数的表达式、以及局部非热 平衡时边界层内流体与多孔介质之间局部传热温差的表达式； 3 、对采用b r i n k m a n - f o r c h h e i m e r - e x t e n d e dd a r c y 流动模型和局部热平衡传热理论 的流体掠过多孔介质中平板的层流对流传热理论研究结果应用于多管型管壳 式换热器的管内层流对流传热，得出了管内层流对流传热系数的表达式： 摘要 4 、对采用b r i n k m a n - f o r c h h e i m e r - e x t e n d e dd a r c y 流动模型和局部非热平衡传热理 论的流体掠过多孔介质中平板的层流对流传热理论研究结果分别应用于多管 型管壳式多孔泡沫金属换热器中壳程流体的纵掠和横掠传热管束外表面的层 流对流传热，得出了相应的壳程对流传热系数的基本规律； 5 、对空气掠过多孔泡沫铜镍合金换热器中正三角排列的传热管束的对流传热进 行了试验研究，综合理论和试验研究结果，得出了试验条件下的对流传热的 准则关联式和流体压力降的表达式； 6 、对空气纵掠多孔泡沫铜镍合金换热器中正方形排列的传热管束的对流传热进 行了试验研究，综合理论和试验研究结果，得出了试验条件下的对流传热的 准则关联式和流体压力降的表达式； 7 、将试验研究结果分别与相同排列方式时的普通列管换热器和紧凑型的翅片管 换热器( 横掠时是环形高频焊螺旋翅片，纵掠时是高频焊直翅片) 进行了管 外对流传热的对比，得出了由于多孔泡沫金属的存在引起的管外传热和流动 压力降的变化情况。 关键词：多孔泡沫金属多管型管壳式换热器强化传热 i i 博士学位论文 a b s t r a c t e n e r g ys a v i n gh a sb e e nb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h ec u r r e n tc l i m a t eo f e n e r g ys h o r t a g e r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni np r o d u c t i o np r o c e s s e sh a sb e e nam a j o r r e s e a r c hf o c u s d e v e l o p i n gn e we n e r g ya n dn e wm a t e r i a l si sofc o m m o ni n t e r e s ti no r d e rt o r e d u c et h ec o n s u m p t i o no ft h ee x i s t i n gr e s o u r c e s u l t r a - l i g h ta n dm u l t i f u n c t i o n a l p o r o u s f o a mm e t a l sa r et h u sb e c o m i n gt h ea t t r a c t i v em a t e r i a l sf o rt h e i re x c e l l e n ts t r u c t u r a le f f i c i e n c y a n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nt h ep o r o u sm e d i u mi so n eo f t h eh o t t e s tt o p i c si nt h ea r e a so ft h e r m o p h y s i c s ，m a t e r i a la n de n v i r o n m e n ts c i e n c e ，w h i c h m a yp o s s i b l yl e a dt ob r e a k t h r o u g hi ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o r lt h eu s eo ft h e p o r o u sm e d i u mf o rh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta r ea t t r i b u t e dt oi t su n i q u em e r i t sw h i c h e n h a n c eg r e a t l yt h eh e a tt r a n s f e ra r e a ，t h eh i g ht e m p e r a t u r er a d i a t i o nh e a tt r a n s f e r ，a n d i n c r e a s et h et u r b u l e n c eo ff l o wa n dt h u sh e a tc o n v e c t i o n h o w e v e r ，t h ec u r r e n tu n d e r s t a n d i n g c o n c e r n i n gt h ef l u i da n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t e r i a l si sl a r g e l yq u a l i t a t i v e t h e r e i sag e n e r a ll a c ko fk n o w l e d g et os u p p o r tt h ed e s i g no fah e a te x c h a n g e rw i t hp o r o u s m e d i u m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ro ff l u i di nt h et u b es h e l lt y p eh e a t e x c h a n g e ru s i n gt h ep o r o u sm e t a lf o a ma st h ef l u i dp a t h sw a si n v e s t i g a t e d t h em a i nr e s e a r c h w o r k sa n dc o n c l u s i o i l sw e r ea sf o l l o w s 1 t h el a m i n a rh e a tc o n v e c t i o no fs h e l ls i d ef l u i df l o wa l o n gt h et u b ea x i so fat u b es h e l l t y p eh e a te x c h a n g e rw a sa n a l y z e du s i i 唔t h eb r i n k m a n - e x t e n d e dd a r c yf l o wm o d e lw h i c h c o n s i d e r e dt h ep r e s s u r ef i l t e r , i n e r t i a , v i s c o s i t yf r i c t i o nb a s e do nt h el o c a ln o n - e q u i l i b r i u m t h e o r yb e t w e e nt h ef l u i da n dt h ep o r o u sm e d i u m t h en u i dv e l o c i t y , t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n , p r e s s u r ed r o pa n dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti nt h es h e l ls i d ew e r eo b t a i n e d u n d e rc o n s t a n th e a tf l o w t h eu n i f o r m i t yo ft h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nb o t ht u b ea n d s h e l ls i d e sw e r ea l s oa n a l y z e d 2 t h el a m i n a rh e a tc o n v e c t i o no ff l u i df l o wo v e rap l a t ei m m e r s e di np o r o u sm e d i u mw a s i i i a b s t r a c t a n a l y z e du s i n g t h eb r i n k m a n - f o r c h h e i m e r e x t e n d e d d a r c y f l o w m o d e l ，w h i c h c o n s i d e r e dt h ef o r md r a g g i n ge f f e c to f p o r o u sm e d i u m , a n db o t ht h e o r i e so fe q u i l i b r i u m a n dn o n - e q u i l i b r i u mb e t w e e nf l u i da n dt h ep o r o u sm e d i u m t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n s ， t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s ，a n dt h eh e a tc o n v e c t i o nc o e f f i c i e n t sw e r eo b t a i n e du n d e rb o t h e q u i l i b r i u ma n dn o n - e q u i l i b r i u mc o n d i t i o n s t h el o c a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ed i s t r i b u t i o n b e t w e e nt h ef l u i da n dt h ep o r o u so nt h eo u t e re d g eo ft h e r m a lb o u n d a r yl a y e ru n d e r n o n - e q u i l i b r i u mc o n d i t i o nw a s a l s oo b t a i n e d 3 t h ea n a l y t i c a lr e s u l t so ff l u i df l o wo v e rap l a t ei m m e r s e di np o r o u sm e d i u mu n d e rt h e c o n d i t i o n so fe q u i l i b r i u mb e t w e e nt h ef l u i da n dp o r o u sm e d i u mw e r ea p p l i e dt ot h e l a m i n a rf l o wi n s i d et h et u b ef i t t e dw i t hp o r o u sm e d i u m t h eh e a tc o n v e c t i o nc o e f f i c i e n t i nt u b es i d eo ft h em u l t i - t u b es h e l lt y p ep o r o u sm e t a lh e a te x c h a n g e rw a so b t a i n e d 4 t h ea n a l y t i c a lr e s u l t so ff l u i df l o wo v e rap l a t ei m m e r s e di np o r o u sm e d i u mu n d e rt h e c o n d i t i o n so fb r i n k m a n - f o r c h h e i m e r - e x t e n d e dd a r c yf l o wm o d e la n dn o n - e q u i l i b r i u m b e t w e e nt h ef l u i da n dp o r o u sm e d i u mw e r ea p p l i e dt ot h el a m i n a ra x i a lf l o wa n da c r o s s f l o wo u t s i d et h et u b eb a n kf i t t e dw i t hp o r o u sm e d i u m b o t ht h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r c o e 伍c i e n t so fs h e l ls i d el a m i n a ra x i a lf l o wa n da c r o s sf l o wo ft h em u l t i - t u b es h e l lt y p e p o r o u sm e t a lh e a te x c h a n g e rw e r eo b t a i n e d 5 t h ee x p e r i m e n to fa i rf l o wa c r o s st h et u b eb a n kw h i c hw a st r i a n g l es t a g g e r e da n d i m m e r s e di nt h ep o r o u sa l b a t aa l l o yf o a mw a sc a r r i e do u t t h ec o r r e s p o n d i n gc o r r e l a t i o n s o fd i m e n s i o n l e s sh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o pw e r eo b t a i n e do nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y 6 t h ee x p e r i m e n to fa i rf l o wa l o n gt h ea x i so ft h et u b eb a n kw h i c hw a ss q u a r ei n - l i n e da n d i m m e r s e di nt h ep o r o u sa l b a t aa l l o yf o a mw a sc a r r i e do u t t h ec o r r e s p o n d i n gc o r r e l a t i o n s o fd i m e n s i o n l e s sh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o pw e r ea l s oo b t a i n e do nt h eb a s i so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t s 7 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fb o t ha x i a la n da c r o s sf l o wo v e rt h et u b eo u t e rs i d eu n d e rt h e t w ot u b eb a n ka r r a n g e m e n t si m m e r s e di nt h ep o r o u sa l b a t aa l l o yf o a mw e r ec o m p a r e d w i t ht h en o r m a lt u b e - s h e l lt y p eh e a te x c h a n g e r s ( w i t h o u tp o r o u sm e t a lf o a m ) a n d i v 博士学位论文 c o m p a c tf i n n e dt u b e s h e l lt y p eh e a te x c h a n g e r s ( t h ef i n sw e r ea n n u l a r l ys p i r a lw h e na i r f l e wa c r o s st h et u b e ，a n dt h ef i n sw e r ea x i a l l ys t r a i g h tw h e na i rf l e wa l o n gt h et u b ea x i s ) r e s p e c t i v e l y t h ee n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e ra n dt h ec h a n g eo fp r e s s u r ed r o po fs h e l l s i d ed u et ot h ee x i s t e n c eo ft h ep o r o u sm e t a lf o a mw e r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：p o r o u sm e t a lf o a m ：m u l t i - t u b et y p e ：t u b es h e l lt y p e ：h e a te x c h a n g e r ：h e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n t v 目录 目录 摘要o oo q ooo oooo i a b s t r a c t g oo ooo oooqo0 i i i 目录 主要符号表x i 第1 章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 工程常用的强化传热方法i qig 2 1 3 多孔介质强化传热简介3 1 3 1 多孔介质简介3 1 3 2 多孔介质强化传热 3 1 4 多孔泡沫金属i ooi 5 1 5 多孔泡沫金属的制备方法8 1 6 多孔泡沫金属的力学性能i oii 1 0 1 7 多孔介质材料的应用l l 1 8 多孔泡沫金属的发展前景1 3 1 9 本文研究内容 1 3 1 1 0 本章小结0 o 1 5 1 1 l 参考文献 1 5 第2 章多孔介质中对流传热的研究现状 2 2 2 1 表征多孔介质中对流传热特性的性能参数的研究现状2 2 2 1 1 多孔介质的孔隙率d o 2 2 2 1 2 多孔介质的密度2 2 2 1 3 多孔介质的比表面积2 3 v i 博士学位论文 2 1 4 多孔介质的有效导热系数2 3 2 1 5 多孔介质的渗透率2 5 2 1 6 多孔介质的平均孔隙直径2 5 2 1 7 多孔介质对流体流动的形状拖拽系数2 6 2 1 8 流体和多孔介质之间的表面传热系数2 8 2 1 9 多孔介质的热弥散效应2 8 2 1 ，l o 多孔介质中的粘性耗散3 0 2 2 多孔介质中单相流体强制对流的经典流动模型 3 0 2 2 1 d a r c y b 赢动模型 3 0 2 2 2b r i n k m a n - e x t e n d e dd a r c y 流动模型 3 1 2 2 3b r i n k m a n - f o r c h h e i m e r - e x t e n d e dd a r c y 流动模型3 2 2 3 多孔介质中单相流体强制对流的经典传热模型3 2 2 3 1 局部热平衡传热模型( 单温度模型) 3 2 2 3 2 局部菲热平衡传热模型( 双温度模型) 3 3 2 4 多孔介质中单相流体对流传热的研究现状3 3 2 5 多孔介质传热传质的存在问题4 0 2 6 本章小结4 1 2 7 参考文献4 l 第3 章基于b r i n k m a n e x t e n d e dd a r c y 流动模型的多孔泡沫金属换热 器的传热分析 5 4 3 1 恒定热流密度边界条件下多管型管壳式多孔泡沫金属换热器内壳程 流体的轴向强制对流传热5 5 3 1 1 物理模型 5 5 3 1 2 数学描述及分析解 5 6 3 1 3 结果分析 6 2 3 2 传热管正方形排列时多管逆流型管壳式多孔泡沫金属换热器的总 传热计算6 4 3 3 多孔泡沫金属换热器内对流传热的均匀性分析6 7 3 3 1 管内对流传热的均匀性分析6 7 v n 目录 3 3 2 管外对流传热的均匀性分析6 8 3 4 流体与多孔泡沫金属之间的局部非热平衡 7 l 3 4 1 管内的局部非热平衡7 1 3 4 2 管外的局部非热平衡7 l 3 5 本章小结 7 4 3 6 参考文献 7 5 第4 章基于b r i n k m a n f o r c h h e i m e r - e x t e n d e dd a r c y 流动模型 的强制对流传热边界层理论7 6 4 1 局部热平衡时流体层流掠过多孔介质中平板的对流传热 7 6 4 1 1 物理假设 7 7 4 1 2 流动的数学模型 7 7 4 1 3 流动方程组简化7 8 4 1 4 流动控制方程组的求解7 9 4 1 5 恒壁温边界条件时的热边界层厚度及对流传热分析 8l 4 1 6 恒热流边界条件时的热边界层厚度及对流传热分析 8 3 4 2 局部非热平衡时流体层流掠过多孔介质中平板的对流换热8 5 4 2 1 传热的数学描述及方程组简化8 6 4 2 2 恒壁温边界条件时的热边界层厚度及对流传热分析8 6 4 2 3 恒热流边界条件时的热边界层厚度及对流传热分析 8 9 4 3 恒热流边界条件下圆管内多孔介质中的层流对流传热9 1 4 4 流体掠过多孔介质中圆管外表面的层流对流传热9 4 4 4 1 恒热流边界条件下纵掠传热管束外表面的层流对流传热9 4 4 4 2 横掠传热管束外表面的层流对流传热9 6 4 5 本章小结a og iqoq io 9 8 4 6 参考文献9 9 第5 章多孔泡沫金属换热器的试验研究1 0 0 5 1 多孔泡沫金属换热器试验装置系统简介1 0 0 5 2 多孔泡沫金属试验段简介 1 0 1 v l l i 博士学位论文 5 3 多孑l 泡沫金属的热物理特性及孔隙参数 1 0 2 5 3 1 多孔泡沫金属的热物理特性参数1 0 2 5 3 2 多孔泡沫金属的孔隙特性参数1 0 3 5 4 试验数据处理与结果分析1 0 6 5 4 1 试验数据处理1 0 6 5 4 2 试验结果分析1 1 2 5 5 试验结果与普通列管换热器壳程传热的比较1 1 2 5 5 1 横掠试验结果与普通列管换热器的比较1 1 3 5 5 2 纵掠试验结果与普通列管换热器的比较1 1 4 5 6 试验结果与紧凑式换热器壳程传热的比较1 1 6 5 6 1 横掠试验结果与环形螺旋翅片管式换热器的比较1 1 6 5 6 2 纵掠试验结果与直翅片管式换热器的比较1 1 8 5 7 多孔泡沫金属换热器的总传热分析 1 2 1 5 7 1 并流式多孔泡沫金属换热器的总传热分析1 2 1 5 7 2 错流式多孔泡沫金属换热器的总传热分析1 2 2 5 8 本章小结 1 2 2 5 9 参考文献1 2 3 第6 章总结与展望1 2 5 6 1 总结 1 2 5 6 2 展望 1 2 8 致谢1 2 9 攻读博士学位期间发表的论文 1 3 0 i x 主要符号表 主要符号表 面积，m 2 热扩散系数，m 2 s 多孔介质的比表面积，m 2 m 3 多孔介质的有效导热系数与流体的有效导热系数之比 摩擦系数 比热，j ( k g k ) 多孔介质对流体流动的形状拖拽系数 直径，m 直径，m 多孔泡沫金属纤维丝直径，m 多孔介质平均孔隙直径或多孔介质平均颗粒直径，m 误差函数 无因次比值 阻力系数 通道高度，m 对流传热系数，w ( m 2 k ) 多孔介质与流体之间的对流传热系数，w ( m 2 酗 节点数目 第3 章分析解中的函数 第3 章分析解中的函数 节点数目 对流传热的综合因子 多孔介质的渗透率，m 2 x 彳 口 万 c 0 勺 印 d d 办 砟 形 f 厂 日 b ， 厶 k 博士学位论文 导热系数，w ( m k ) 长度，m 长度，m 换热器内每排传热管数 与流体流动和多孔介质孔隙参数有关的综合量，m - 1 换热器内的传热管排数 第3 章分析解表达式中的计算常数 节点数目 无因次压力 压强，p a 压力降，p a 传热量，w 热流密度，删m 2 半径，m 半径坐标，m 管间距，m 温度，k 温差，k 平均传热温差，k 无因次速度 换热器总传热系数，w ( m 2 k ) 速度，m s 速度，m s 宽度，m 坐标，m 第3 章分析解中的函数 第3 章分析解中的函数 x i 七 ， m 搬 m 托 p p 肇 q g r ， s r 盯 瓯 u u ” v 渺 x k k 主要符号表 相似准则数 d a n u p e p r r e 希腊字母 bf 占 万 7 7 矽 y v 刀 口 p f c o 下标 坐标，m 坐标，m d a r c y 数 n u s s e l t 数 p e c l e t 数 p r a n d t l 数 r e y n o l d s 数 肋化系数 多孔介质的孔隙率 厚度，m 无因次坐标 无因次径向坐标 流函数 流体的动力粘度，p a s 流体的运动粘度，m 2 s 圆周率 无因次温度 密度，k g m 3 切向应力，n m 2 圆周角，r a d 体积的 以直径作为特征尺寸的 有效的、势流区的 x i i 博士学位论文 e n t r a n c e 入口段 流体的、翅片的 i 内部的 边界的 k 以多孔介质渗透率k 的压作为特征尺寸的 以平板长度作为特征尺寸的 m 平均的 o 外部的 s 固体的 t 热的 1 4 ； 壁面的 x 局部的 o o 无穷远处的 注：本论文中其它符号均在其出处作了标注和说明。 x i i i 博士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 能源危机席卷全球，全球能源需求未来还将持续上升，有限的资源储备与社 会经济发展需求之间的矛盾，已经成为一个全球性的问题，全人类己开始思索如 何解决能源危机带来的一系列问题，寻求一种对能源消耗低、环境资源破坏少的 绿色经济增长方式。 我国也面临着极其严峻的资源紧缺问题，未来二十年将面临严峻的挑战。据 测算【l 】，到2 0 2 0 年，我国的煤炭消费需求为2 2 2 亿吨，这就需要精查储量1 2 5 0 亿吨来支撑。矿产资源也呈捉襟见肘之态。在4 5 种主要矿产资源中，我国人均 占有量不到世界平均水平的一半，其中石油、天然气、铁矿石、铜和铝土矿等重 要矿产资源人均储量，分别为世界人均水平的1 1 、4 5 、4 2 、1 8 和7 3 口g r e q a p u i r o f e s 嗍u p p l t y 她d w a t e r 畔r n u c l e a rp o w e r n a t u r a lg a s o 订 y e a r 图i - i 我国能源需求和生产差额预测【1 1 f i g 1 - 1f o r e c a s to f e n e r g yr e q u i r e m e n ta n dp r o d u c t i o ng a po f c h i n a 。而在资源利用效率方面，我国单位产品的能耗水平明显高于国际先进水平。 火电供电煤耗高达2 2 5 ，大、中型钢铁企业吨钢能耗高达2 1 ，水泥生产综 合能耗高达4 5 ，乙烯生产综合能耗高达3 1 ，建筑物能耗是同纬度国家的3 第1 章绪论 至4 倍，冶金、有色金属、电力、化工等8 个高耗能行业的单位产品能耗比世界 先进水平平均高4 0 以上。我国矿产资源的总回收率为3 0 ，比国外先进水平 低2 0 。要应对迫在眉睫的能源、资源危机，越来越多的人们已渐渐意识到须 对目前的能源、资源利用方式进行彻底的改变，这种改变应主要从“开源”、“节 流”两个方面入手：一是提高能源、资源的利用率，合理有效地综合利用能源； 二是杜绝浪费，减少不必要的能源消耗。提高能源、资源的利用率，就是提高效 率和水平，由此，许多新材料、新技术应运而生。如何开发新能源和新材料、减 少已有能源与材料的消耗，是提高效率和水平的一个重要方面。以此为背景，多 孔泡沫材料尤其是超轻多功能多孔泡沫金属材料因其优良的结构效率和广泛的 应用前景，近年来成为众多研究者所关注的热点【2 】。 工业装备技术和航空航天科技的迅猛发展对高性能工程材料的设计与制造 提出了更高的要求，使其总体朝着智能化、小型化、多功能化的方向发展。在构 成节能对象的机器设备中，有众多的换热设备，研究如何提高换热设备的性能和 探求新的强化传热方法，对于降低能耗具有重要的意义 3 】。随着金属制造技术的 不断发展特别是多孔泡沫金属的问世，以多孔泡沫金属的孔隙作为流体通道的各 种换热设备的基础研究也正迅速发展起来。海绵状的多孔泡沫金属具有极高的比 表面积、轻质、高强度、可渗透性、屏蔽等特征，能防震、吸能、降噪、阻燃， 同时又具有相当高的导热能力，与流体高紊流度的常规换热设备相比，使得流体 在层流状态下即可达到相同的换热性能，且设备的体积和重量、及金属耗量大大 减少。通孔型的多孔泡沫金属具有极大的比表面积和复杂的三维孔隙结构，可以 强化流体的混合，且其传热能力随孔隙直径和孔隙率的提高而提高；闭孔型的多 孔泡沫金属的导热能力却又很低，仅为纯金属的1 5 1 1 5 0 ，可用作绝热材 料，其强度及耐热性能优于相应的传统材料 4 。 因此，将多孔泡沫金属应用于各种换热设备，具有广阔的应用前景。 1 2 工程常用的强化传热方法 自二十世纪五十年代以来，许多国家的科技人员在强化传热方面进行了广泛 的研究和探索，提出了多种强化传热技术。二十世纪七十年代出现的世界性能源 危机，使强化传热技术获得了迅速的发展 5 1 。强化传热技术总体可分为主动强化 技术和被动强化技术，目前，工程上常用的有粗糙表面、扩展表面、径向位移增 2 博士学位论文 进器和内插扰流元件等，其主要机理是增强近壁流体的扰流度，破坏流动边界层， 提高流体的壁面温度梯度，减少热阻，大幅度提高换热系数【6 】。 多孔介质传热传质的研究，是一项具有重大学术价值、对学科发展和技术创 新具有深远影响的研究课题，已成为国内外工程热物理、地球和环境科学中最活 跃的前沿研究领域之一【7 8 】。 近年来，人们对于改变传热表面结构和特殊的传热表面、扩展表面颇感兴趣， 因为这些传热表面的对流传热系数都比普通光管、或光板的要高得多【9 _ 们。多孔 表面是各种各样的经特殊处理表面中的一种，由于其独特的传热机理和高效的传 热性能，已成为一种很有发展前途和广泛工业应用前景的新型传热表面【3 1 ，而流 体流经由固体骨架构成的多相空间即多孔介质孑l 隙通道内的对流传热更是吸引 了无数的强化传热研究者。对多孔介质中流体的流动和传热的研究始于二十世纪 后半叶，至今已发展和形成了多孔介质的流体动力学理论】和初步的传热传质理 论5 一】。多孔介质孔隙通道内的对流和传热是自然界的一种复杂的、普遍的现象， 在工程实际中有着广泛的应用，如换热设备的设计、石油资源的开采、地下核废 料的排放等【1 2 】过程中都涉及到多孔介质孔隙通道内流体的对流和传热问题。近十 多年来，由于多孔介质内的传热问题在能量转换和利用等领域具有广泛的应用， 是目前传热学学科中研究最为活跃的分支之一。 1 3 多孔介质强化传热简介 1 3 1 多孔介质简介 第一次专门讨论多孔体结构和性能的国际会议于1 9 5 8 年由英国的c o l s t o n 公司主持，在b r i s t o l 召开【13 1 。所谓的多孔介质，是一种具有孔洞的固体【1 4 】，是 内部含有相互连通或不连通的各种空洞或孔隙、且这些洞隙呈随机分布或按某种 有序的几何分布的物质。自然界中存在着各种各样的具有不同孔隙尺寸和不同几 何形状的多孔物质。多孔介质大致可分成可渗透的和不可渗透的两种类型。可渗 透的多孔介质，是指其内部的大部分孔隙都相互连通，并能形成流体通道，如土 壤、装满松散砂子的容器等，称之为通孔型的多孔介质；反之则为不可渗透的多 孔介质，如天然矿石页岩等，称之为闭孔型的多孔介质。 1 3 2 多孔介质强化传热 多孔介质强化传热的研究者在最初研究时所采用的多孔介质大多为人工模 1 第1 章绪论 拟的多孔骨架【6 1 5 19 1 ，骨架的材质大多为金属丝或固体颗粒堆积物。 多孔介质强化传热的原因有以下几个方面： ( 1 ) 多孔介质材料 的骨架，其表面 发射率比气体 的大得多，使得 能强化高温辐 射传热。在高温 加热炉的燃烧 室烟气出口处， 设置一个耐高 温的高孔隙率 瓦 冬、 。- ，- - - i - - - 誓一 ：t 薹慕0 o 鎏多i 7 “ i d o c x ，t 1 6m e t a lp i a t ox 图卜2 多孔金属板强化辐射传热乜砌 的多孔金属平 f i g 1 - 2e n h a n c i n gr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e ro f p o r o u sm e t a lp l a t e 幽1 板( 如图1 2 1 2 0 】) ，当高温烟气通过这个陶瓷多孔体平板时，由于气流经 过狭窄通道时，气一固间的传热系数很大，多孔介质与烟气接触的表面积 也很大，使得气一固表面上发生充分的对流传热，高温气体将热量传递给 了多孔介质壁面。多孔介质壁面被加热后，以自身的壁面温度向气流的上、 下游辐射能量。而对于烟气，由于将热量传递给多孔介质壁面以后，使得 气体和多孔介质壁面在沿着气流流动方向上存在一个温度降落，多孔介质 向上游一侧的壁面温度高于向下游一侧的壁面温度，因此多孔介质的上游 侧成为具有高温均匀温度场的强辐射空间，而下游侧则成为更低温的弱辐 射空间，多孔介质将热能转变成了辐射能，提高了燃烧室的温度，降低了 进入对流室的烟气温度，使得最终的加热炉排烟温度比未加多孔介质平板 时有所降低，因而节约了能量。 ( 2 ) 多孔介质所具有的极高比表面积的特性导致了流体与固体骨架之间的充 分接触，使其扩展的传热面积比普通的方法远远地大。目前工程上使用较 多的扩展传热面就是在管或板的壁面上加装肋片，如高频焊翅片、套装翅 片等，但其扩展出的传热面积远不及加装多孔泡沫金属的大。例如，一支 0 3 2 m m 外径的高频焊翅片管，翅片最小螺距为 一5 m m ，翅片厚度1 2 m m ， 4 博士学位论文 翅片的高度1 5 m m ，其扩展后的总外表传热面积为1 0 0 9 m 2 m ( 肋化系数 为1 0 ) 。而若在相同的翅片空间内焊制以孔隙率9 0 、1 0p p i ( 单位英 寸的孔目数1 、平均金属丝纤维直径l m m 的多孔泡沫金属，则扩展后的总 表面积约为1 8 m 2 m ( 肋化系数为1 8 0 ) 。 ( 3 )由于多孔介质的存在，使得流体在流动过程中所受到的渗透作用、粘性作 用、形状拖拽作用、受多孔介质扰动所引起的