【毕业学位论文】（Word原稿）超轻多孔泡沫金属流动与传热研究-热能工程博士论文

分类号 密级 621 编号 中国科学院研究生院 博士学位论文 超轻多孔 泡沫金属 流动与 传热 研究 指导教师 研究员 中国科学院广州能源研究所 申请学位级别 博士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 2009 年 5 月 论文答辩日期 2009 年 6 月 培养单位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 y 2009 摘要 I 摘 要 超轻 多 孔泡沫 金属 （简称泡沫金属） 是一种新型的 多功能 材料，它具有比重小、孔隙率高 、比表面积大 等 突出特点，在传热学领域显示了强劲的功能 。 对它的传热性能 及内部流体流动特性 进行研究 符合人们 追求高性能材料轻质化的需求 。 首先 ， 以去离子水为工质， 对 泡沫金属 结构 表面的池沸腾进行了研究。研究发现， 泡沫金属 会显著强化池沸腾换热，降低沸腾起始点的过热 度，换热系数可达光表面的 23 倍。 泡沫金属 孔密度、 厚度对沸腾换热具有 重要影响，各自 呈现出强化和弱化换热的两面性 。 孔隙率的影响较为复杂 。 过冷度对沸腾的影响与 泡沫金属 厚度有关，并表现出与光表面不同的特点。 其次， 在常压下， 借助于高倍摄像仪对 泡沫金属 结构 表面的池沸腾进行了可视化和热传输研究， 所用工质为丙酮 。 壁面 过热度从 到 190 K,热流达到 140 W/0 和 60泡沫金属在低 过热度 时 ，气泡 显示出周期性产生和脱离现象，随着 过热度 的增 大 ，气泡发生周期性聚合和再聚合模式 ， 隆状气泡 出现 。 对于 90泡沫金属，在低 过热度 时就发生气泡聚合，在中等和高 过热度 时， 气泡 碎片不停的脱离 泡沫金属 表面 。 沸腾曲线可划分为三个区域，在区域 ， 高、低孔密度的泡沫金属的传热模式不同 ， 其 沸腾曲线发生交叉。 再次， 研究了 泡沫金属 结构 表面 在不同 倾角 下的 池沸腾 换热 。 结果表明 方位角对换热 有一定的影响， 影响 程度与 过冷度 有关 。 在低 热流 时 ， 换热效果 随角度的增大而 减小 ， 而 在高热流 时 正好相反 ，当 泡沫金属 孔密度为 90，部分倾角的沸腾曲线发生交叉。 接着， 对单相流体在 泡沫金属 通道中的流动和换热进行了研究，所用工质为 去离子水 。 获 取了热流密度、 泡沫金属 孔密度、液体流量等参数对层流流体流过 泡沫金属 时的压降、通道壁面温度、对流换热等特性的影响。 结果表明 泡沫金属 会显著强化对流换热，大大 降低通道的壁面温度，其对流换热能力随雷诺数 增大而逐渐增强， 最大努塞尔数 达空矩形通道的 13 倍，但与空通道相比， 泡沫金属 通道的压降显著增大，并随 及 泡沫金属 孔密度的增大而增大 。 超轻多孔泡沫金属流动与传热研究 后， 研究了 泡沫金属 通道内的流动沸腾 ， 发现了在流动沸腾过程中的周期波动现象，波动包括出口温度，压力降及流量，他们的波动 受 热流密度 等因素的 影响 。实验 也 表明流体在泡沫金属中的 流动压降和摩擦乘子受孔密度、液体流量及 两相流 干度的影响较大。 同时实验中 得到了适用于高孔隙率泡沫金属通道的两相流摩擦压降实验关联式 。 关键词 ： 泡沫 金属； 池沸腾 ； 流动 沸腾； 换热；流动特性 i (u it of It a to in of of of in it is of in of as on at In 3 of an on a of of of on on is to of to of on at as 20 K 90 K, 40 W/0 0 轻多孔泡沫金属流动与传热研究 IV at in or 0 at At or to of of is at II a of of of on of is to is at is at of 0In as to in in a of of on It is is of of is of of to to of in in a in of of at by of On of of is 轻多孔泡沫金属流动与传热研究 要符号表 倾角的无量纲参数 / 360 e 2l g C 系数 毛细数 Re l 热表面间的特性常数 J/(J/( 达西数 2 m m m m m h 的 当量直径 m E 无量纲参数 /lE k kF 无量纲参数 f 空通道摩擦 阻力系数 道摩擦 阻力系数 G 形状函数； 流量 g 重力加速度 m/ 通道的高度 m h 表面换热系 数 W/( J/ 电流 A 亚克伯数 /l p l g f gJ a C T h K 渗透率 k 导热系数 W/(mK) L 通道长度 m l 孔棱 长 m M 质量 压缩比 努塞尔数 / 普朗特数 / Q 有效热量 J q 热流密度 W/者 kW/e 雷诺数 / 基于多孔介质的等效球直径 1Re r 内外孔棱直径比 截面积 t 斯坦顿数 p l w s a m2/ 温度 液体饱和温度 液体实际温度 oC oC t 时间 s U 电压 V u 速度 m/s V 体积 通道的宽度 m x 热力学干度 数 P 压降 温度差 K 冷度 K 面过热度 K ,tp 相摩擦压降 孔隙率 表面张力 (N/m) 密度 kg/m3 r相对密度 粘性系数 运动黏度 厚度 m 热效率 f分液相摩擦乘子 泡沫金属表面倾角 单位：度 无量纲的温度参数 下标： i 第 i 个测量点 l 液体 g 气体 s 固体 o 光表面 对流 有效的 总的 单相 两相 入口 出口 压缩的 未压缩的超轻多孔泡沫金属流动与传热研究 录 摘 要 . I . 要符号表 . 录 . 1 章 引言 . 1 究背景 .沫金属简介 . 泡沫金属的发展 . 3 沫金属的结构和热性能 . 8 沫金属的结构 . 8 沫金属的热性能 . 11 内外研究现状 . 阻力特性 . 12 热特性 . 15 沫金属单相传热研究 . 15 沫金属多相传热研究 . 17 究目的和内容 . 2 章 泡沫金属强化池沸腾换热研究 . 20 言 .验装置与实验方法 . 实验系统 . 20 验段 . 22 验过程 . 23 验用泡沫金属和特征参数 . 24 验数据处理与不确定度分析 . 28 验结果与分析 . 孔密度的影响 . 29 度的影响 . 31 隙率的影响 . 31 冷度的影响 . 33 化换热的讨论与分析 . 33 论、无量纲分析和拟合 .录 回顾与分析 . 34 量纲分析和拟合 . 38 结 . 42 第 3 章 泡沫金属表面池沸腾可视化研究 . 44 言 . 44 验装置和过程 . 45 验装置 . 45 验段 . 45 质和不凝性气体含量的估计 . 46 果和讨论 . 48 腾模式的可视化 . 48 0沫金属表面池沸腾的可视化 . 48 状气泡的形成 . 51 0沫金属表面池沸腾的可视化 . 53 酮在泡沫金属表面的沸腾换热 . 54 沫金属参数对沸腾换热的影响 . 58 究工作的比较 . 60 章小结： . 61 第 4 章 倾角对泡沫金属表面池沸腾换热 的影响 . 63 言 . 63 验装置与实验方法 . 63 验结果与分析 . 64 角对换热的影响 . 64 腾滞后 . 69 论与分析 . 70 章小结 . 71 第 5 章、泡沫金属中的单相流动和换热特性研究 . 73 验装置与实验方法 . 73 验系统 . 73 验段和泡沫金属材料 . 74 量方法和不确定度分析 . 75 量方法 . 75 确定度分析 . 76 据处理 . 76 验结果与分析 . 77 超轻多孔泡沫金属流动与传热研究 X 通道的实验结果 . 77 相流动阻力特性 . 78 相对流换热特性 . 79 章小结 . 6 章 泡沫金属中流动沸腾的压降特性和不稳定性研究 . 84 言 .验装置与实验方法 . 实验系统 . 84 验段和泡沫材料 . 85 据处理 .验结果与分析 . 单相流体摩擦系数 . 87 相流体摩擦系数 . 90 动沸腾的不 稳定性 . 99 章小结 . 7 章 结论与展望 . 107 文的主要结论 .文的研究意义及创新 .望与建议 .考文献 . 111 博士期间发表的论文 . 121 致 谢 . 122 第 1 章 引言 1 第 1 章 引言 超轻多孔泡沫金属是近年来随着多样化需求的材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一种具有优异物理特性、新颖的、多功能材料，它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等 多种物理性能 1，自从它的问世以来，就 在工业和 国防 等领域中 显示出广泛的应用价值，并成为人们跨学科研究的新课题， 其中包括泡沫金属热性能的研究，理解和把握泡沫金属的传热性能及流体在其内部的流动特性将具有重要的意义。因此本文选取了高孔隙率的泡沫金属进行研究，即研究 泡沫金属对池沸腾、 单相和两相 流动 与换热 的影响，并得到了一些描述传热和流动特性的关系式。 本章主要介绍本文的研究背景，强化传热的方式，泡沫金属材料的 发展、制备、特性及分类， 概述了泡沫金属传热的国内外研究现状， 最后 简述了研究目的和内容 。 究背景 在现实生活中，传热学的研究具有重要意义，因为它的研究范围涵盖了自然界和工业生产中存在的与热量传递与交换有关的所有现象 。 各种换热器以及各种加热、隔热、储热技术都是传热学的研究内容，涉及化工、石油、动力工程、航天、医学、冶金、空调、锅炉、海洋、气象和环境保护、环境管理等诸多领域。例如 热 电厂热系统中的凝汽器、给水加热器、冷却塔；锅炉系统的过热器、空气预热器；石油化工中广泛采用的加热及冷却设备；超声速飞机、宇宙飞船发动机燃烧室衬套以及微电子的冷却等都是换热器应用 2。 据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占 设备总投资的 30 ，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的 40 左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成 3。 近年来，随着高、新、尖端技术的迅速发展，各行业对传热学科提出 了 越来越高的要求 ，无论在工业生产中还是在高科技领域都不可避免地涉及能源有效利用、热量传输及其强化问题， 突出表现 在以下几个方面： （ 1） 世界面临着能源短缺的 格局 ， 节约能量消耗 和 开发利用新能源 引起了世界各国的普遍关注，设计和制造各 种 高性能换热设备是 高效 开发和利用能源的重要 措施超轻多孔泡沫金属流动与传热研究 2 和手段 ，这对于动力 、 石油 、 冶金 、 化工制冷以及食品等工业部门都有着极为重要 的意义 。 （ 2） 随着航空 、 航天技术的发展，各种新型飞行器层出不穷，航空和航天推进技术 的发展达到了 前所未有的程度，所涉及的各种热设备的工作温度也在不断提高，为了保证热设备 具 有长的工作寿命和在高效率下安全运行 的性能 ，必需要解决如何将飞行器中各类电子元件以及其它耗功散热部件所释放出的热量 及时 移除并传输到环境中，即必须可靠而经济地解决高温设备的冷却问题 4。 （ 3） 随着科学技术的发展和应用环境的日趋复杂，电子设备的尺寸越来越小而集成化程度越来越高，密集 分布 的大功率设备中的释能密度日益提高，例如 随着 超大规模集成电路技术的发展， 一个芯片有数以万计甚至十万计的逻辑门， 同时 在一个大功率的计算机系统中，要包括成百上千个芯片，这就需要在很小的体积内、在很短的时间 内 散去 多 达几千瓦的热量， 以维持电子在正常 环境 温度下进行工作 ，因此，微电子器件的冷却散热问题一直是微电子领域和传热领域中共同关 心 的热点问题 2，是电子设备性能和工作寿命的必要保证。因此需要 研究 更先进的材料进一步提高微电子设备的散热问题 ，同时减轻设备的重量。 （ 4） 越来越受到广泛重视的环保领域 中的 工业和民用三废的净化处 理也离不开热量的传输和效地利用热能并回收三废中的余热，以节约能源 ，也需要 进一步开展强化传热的研究。另外，随着核电站技术的发展，也对散热提出了 更 严格的要求。 总之，无论是从理论的角度还是从工业技术设计的方面看，透彻研究 各种传热过程的强化问题，设计 并 制造出高效换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的问题，同时也是开展节能和开发新能源的迫切任务 。 因此从二十世纪 60年代发展起来的一种改善传热性能的先进科学技术， 就成为 一个十分引人注目的研究领域，它不仅可以推动理论进步，而且可以为工程实际提供更加准确的科学依据，为国民经济的 快速发展和进步提供动力。 目前强化换热的措施主要分两类： （ 1） 被动强化传热：不直接使用外界动力 所进行的 强化换热措施，其优点是不直接消耗外来动力，操作维护方便，故己被广泛应用 ，主要有以下几种： 对加热表面进行处理 改变加热表面材料的