多孔绝热材料的性能优化研究
发布时间：2021-06-30 13:41
多孔材料的绝热性能受孔隙形状、气体含量、孔隙连通性、孔隙分布状态以及气体和固体导热系数的影响。先前的研究主要集中于气体含量和两相导热系数上,并没有系统地研究孔隙形状和连通性的协同作用。本论文重点研究孔隙形状和孔隙连通性的协同作用以及孔隙的各向异性、分布和尺寸对材料绝热性能的影响。研究结果不仅具有一定的理论价值,还可以用来指导多孔绝热材料的优化设计。研究结果表明:对所有形状的孔,多孔绝热材料的导热系数都随气体含量的增加而减小。在二维模型中,含有不同形状孔隙的多孔绝热材料其绝热性能满足下述顺序:I形>T形>三角形>方形>球形>菱形>椭圆>矩形;在三维模型中,含有不同形状孔隙的材料其绝热性能的顺序为:I形>T形>菱形>正方体>球体>圆柱形。不论是在三维模型还是二维模型中I形和T形是降低多孔绝热材料导热性能最佳的孔隙形状。孔隙在垂直于热流方向的长度越长,孔隙的绝热性能越好;孔隙在垂直于热流方向上的长度是决定不同形状孔隙绝热性能的关键性因素,而孔隙在热流方向上的长度对材料的绝热性能影响不大。孔隙的连通性对材料绝热性的影响受孔...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种多孔材料的类型
多孔绝热材料的性能优化研究-2-图1.2多孔材料的微观结构1.1.2多孔材料的性质多孔材料的性能受下述因素的影响：（1）孔隙率。单位体积的多孔材料中所有孔隙的总体积与多孔材料的体积之比称为绝对孔隙率[11-14]。多孔材料的孔隙率受到压密作用的影响[15-18]。增加外部压力将减少多孔材料的总体积，压密则可以显著降低孔隙率。对极硬的多孔材料而言，孔隙率并不受压密作用的影响。对于石棉板等多孔材料，压密作用对其孔隙率的影响也比较小[19-21]。（2）热流方向。在一些多孔材料中，因为某些孔隙的形状具有各向异性，导致不同的热流方向对多孔材料的绝热性能影响程度不同。例如，像木材纤维类的多孔材料，在热流的方向与纤维的方向垂直的情况下，热阻大，则导热系数小，绝缘性良好。当热流方向与纤维方向平行时，热阻低，绝缘性能差。[22-24]。（3）容重。具有较低的堆积密度和较高孔隙率的材料，这类多孔材料具有更好的绝热性[25]。减少容重可以提高绝热性能。通常对于密度较小的材料，导热系数随密度的增加，呈现先增加后减小的趋势，并存在最佳容重。与最低导热系数相对应的密度值称为最佳密度[26-28]。（4）气、固体导热系数。由不同物质组成的材料其导热系数不同。当孔隙率高时，气体（空气）对材料的导热系数中起决定性作用，固体对导热系数的影响程度不明显。当孔隙率低时，固体对材料的导热性起决定性作用，而气体（空气）对材料的导热性影响较校1.1.3多孔材料的研究进展近年来，多孔材料吸引了越来越多研究者的注意。Huang[30]等人利用金属纳米多孔材料的二维方形孔隙来预测导热系数。采用动力学方法对金属纳米多孔材料的导热系数进行了模拟，探究了孔隙率、纳米孔径、纳米孔分布对其导热系数的影响。它表明：在低孔隙率（φ
兰州交通大学工程硕士学位论文-5-径小于4mm时，气体在对流过程中引起的热传递可以忽略不计。减小孔隙的尺寸可以降低孔内的对流换热[72-74]。1.2.2多孔绝热材料的导热模型在对多孔材料绝热性能的探究过程中发现，材料的绝热性除了受固体骨架和孔内流体的导热系数影响外，还受到孔尺寸大孝形状和空间分布情况等因素的影响[75-76]。通过采用有效导热系数法，对材料结构进行分析，采用理论模型或者经验关系式分析和预测多孔材料的绝热性能，这是研究多孔材料热传导的常见方法。使用的模型含有：Seriesmodel、Parallelmodel、Maxwell-Eucken、Lewis-Nielsen、EMT模型等等。Seriesmodel是串联模型，它主要应用于以层状结构叠加而成的非匀质材料，热流方向从上到下依次经过每一层。该模型计算有效导热系数的公式为：（1-1）其中，Kc是绝热材料的导热系数，K1是基体的导热系数，K2是气体的导热系数，V2是多孔绝热材料中孔隙的体积分数[77]。如图1.3是串联模型的示意图。hh图1.3串联模型的示意图图1.4并联模型的示意图Parallelmodel是并联模型，该模型经常用于计算非均质材料的导热系数。它与Seriesmodel的不同之处在于并联模型中，热流方向同时从上到下流经不同的组分[78]。该模型计算有效导热系数的公式为:（1-2）
【参考文献】：
期刊论文
[1]常规及非常规储层岩石分形特征对渗透率的影响[J]. 尹帅,谢润成,丁文龙,单钰铭,周文. 岩性油气藏. 2017(04)
[2]一种基于Kozeny-Carmen方程改进的渗透率预测新方法[J]. 张恒荣,何胜林,吴进波,吴一雄,梁玉楠. 吉林大学学报(地球科学版). 2017(03)
[3]基于Scheme的Fluent后处理[J]. 李苗苗,时均浩,朱如鹏,马希直,陆凤霞. 电脑知识与技术. 2016(14)
[4]外墙用岩棉板导热系数与温度及含水率的关系[J]. 朱立平,丁晴,侯鹏,张剑红. 建筑节能. 2016(04)
[5]基于Fluent二次开发地铁通风系统日志文件[J]. 李慧,王广明,王东屏,谭宝来. 计算机系统应用. 2015(04)
[6]基于Kozeny—Carman方程的渗透率分形模型[J]. 郑斌,李菊花. 天然气地球科学. 2015(01)
[7]基于粉煤灰的多孔无机保温材料的研制[J]. 冯俊杰,张瑞芳,龚伦伦,李晔,程旭东. 材料科学与工程学报. 2014(05)
[8]改进的Baldwin-Lomax湍流模型及其在叶轮机械中的应用[J]. 杨金广,吴虎. 工程热物理学报. 2014(03)
[9]多孔隔热材料临氢氛围微观传热模拟与导热系数[J]. 郭文元,费名俭,王辅臣. 华东理工大学学报(自然科学版). 2011(06)
[10]曲轴连杆轴颈静压轴承的设计与数值模拟[J]. 宋锦春,王磊. 东北大学学报(自然科学版). 2011(03)
博士论文
[1]人工形状填料填充的高导热复合材料的共轭导热特性研究[D]. 王小见.华南理工大学 2013
硕士论文
[1]内外墙隔热保温体系的构建及性能研究[D]. 程原原.重庆大学 2016
[2]圆形开孔翅片管式换热器传热特性的数值模拟[D]. 陈鹏飞.昆明理工大学 2015
[3]冷凝式换热器的对流换热研究[D]. 吴明华.西南交通大学 2013
本文编号：3257849
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种多孔材料的类型
多孔绝热材料的性能优化研究-2-图1.2多孔材料的微观结构1.1.2多孔材料的性质多孔材料的性能受下述因素的影响：（1）孔隙率。单位体积的多孔材料中所有孔隙的总体积与多孔材料的体积之比称为绝对孔隙率[11-14]。多孔材料的孔隙率受到压密作用的影响[15-18]。增加外部压力将减少多孔材料的总体积，压密则可以显著降低孔隙率。对极硬的多孔材料而言，孔隙率并不受压密作用的影响。对于石棉板等多孔材料，压密作用对其孔隙率的影响也比较小[19-21]。（2）热流方向。在一些多孔材料中，因为某些孔隙的形状具有各向异性，导致不同的热流方向对多孔材料的绝热性能影响程度不同。例如，像木材纤维类的多孔材料，在热流的方向与纤维的方向垂直的情况下，热阻大，则导热系数小，绝缘性良好。当热流方向与纤维方向平行时，热阻低，绝缘性能差。[22-24]。（3）容重。具有较低的堆积密度和较高孔隙率的材料，这类多孔材料具有更好的绝热性[25]。减少容重可以提高绝热性能。通常对于密度较小的材料，导热系数随密度的增加，呈现先增加后减小的趋势，并存在最佳容重。与最低导热系数相对应的密度值称为最佳密度[26-28]。（4）气、固体导热系数。由不同物质组成的材料其导热系数不同。当孔隙率高时，气体（空气）对材料的导热系数中起决定性作用，固体对导热系数的影响程度不明显。当孔隙率低时，固体对材料的导热性起决定性作用，而气体（空气）对材料的导热性影响较校1.1.3多孔材料的研究进展近年来，多孔材料吸引了越来越多研究者的注意。Huang[30]等人利用金属纳米多孔材料的二维方形孔隙来预测导热系数。采用动力学方法对金属纳米多孔材料的导热系数进行了模拟，探究了孔隙率、纳米孔径、纳米孔分布对其导热系数的影响。它表明：在低孔隙率（φ
兰州交通大学工程硕士学位论文-5-径小于4mm时，气体在对流过程中引起的热传递可以忽略不计。减小孔隙的尺寸可以降低孔内的对流换热[72-74]。1.2.2多孔绝热材料的导热模型在对多孔材料绝热性能的探究过程中发现，材料的绝热性除了受固体骨架和孔内流体的导热系数影响外，还受到孔尺寸大孝形状和空间分布情况等因素的影响[75-76]。通过采用有效导热系数法，对材料结构进行分析，采用理论模型或者经验关系式分析和预测多孔材料的绝热性能，这是研究多孔材料热传导的常见方法。使用的模型含有：Seriesmodel、Parallelmodel、Maxwell-Eucken、Lewis-Nielsen、EMT模型等等。Seriesmodel是串联模型，它主要应用于以层状结构叠加而成的非匀质材料，热流方向从上到下依次经过每一层。该模型计算有效导热系数的公式为：（1-1）其中，Kc是绝热材料的导热系数，K1是基体的导热系数，K2是气体的导热系数，V2是多孔绝热材料中孔隙的体积分数[77]。如图1.3是串联模型的示意图。hh图1.3串联模型的示意图图1.4并联模型的示意图Parallelmodel是并联模型，该模型经常用于计算非均质材料的导热系数。它与Seriesmodel的不同之处在于并联模型中，热流方向同时从上到下流经不同的组分[78]。该模型计算有效导热系数的公式为:（1-2）
【参考文献】：
期刊论文
[1]常规及非常规储层岩石分形特征对渗透率的影响[J]. 尹帅,谢润成,丁文龙,单钰铭,周文. 岩性油气藏. 2017(04)
[2]一种基于Kozeny-Carmen方程改进的渗透率预测新方法[J]. 张恒荣,何胜林,吴进波,吴一雄,梁玉楠. 吉林大学学报(地球科学版). 2017(03)
[3]基于Scheme的Fluent后处理[J]. 李苗苗,时均浩,朱如鹏,马希直,陆凤霞. 电脑知识与技术. 2016(14)
[4]外墙用岩棉板导热系数与温度及含水率的关系[J]. 朱立平,丁晴,侯鹏,张剑红. 建筑节能. 2016(04)
[5]基于Fluent二次开发地铁通风系统日志文件[J]. 李慧,王广明,王东屏,谭宝来. 计算机系统应用. 2015(04)
[6]基于Kozeny—Carman方程的渗透率分形模型[J]. 郑斌,李菊花. 天然气地球科学. 2015(01)
[7]基于粉煤灰的多孔无机保温材料的研制[J]. 冯俊杰,张瑞芳,龚伦伦,李晔,程旭东. 材料科学与工程学报. 2014(05)
[8]改进的Baldwin-Lomax湍流模型及其在叶轮机械中的应用[J]. 杨金广,吴虎. 工程热物理学报. 2014(03)
[9]多孔隔热材料临氢氛围微观传热模拟与导热系数[J]. 郭文元,费名俭,王辅臣. 华东理工大学学报(自然科学版). 2011(06)
[10]曲轴连杆轴颈静压轴承的设计与数值模拟[J]. 宋锦春,王磊. 东北大学学报(自然科学版). 2011(03)
博士论文
[1]人工形状填料填充的高导热复合材料的共轭导热特性研究[D]. 王小见.华南理工大学 2013
硕士论文
[1]内外墙隔热保温体系的构建及性能研究[D]. 程原原.重庆大学 2016
[2]圆形开孔翅片管式换热器传热特性的数值模拟[D]. 陈鹏飞.昆明理工大学 2015
[3]冷凝式换热器的对流换热研究[D]. 吴明华.西南交通大学 2013
本文编号：3257849
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3257849.html
