纳米多孔结构和表面热阻对液氮淬火换热影响的可视化实验研究

发布时间：2022-02-11 17:31

　　随着科技的发展,低温流体越来越多的应用到航空航天以及超导等领域:液氢和液氧广泛应用作航天飞机和火箭的助燃剂,能够提供更大推动力且不产生任何污染;液氮、液氦常为核磁共振以及大型强子对撞机等设备提供冷量。在实际应用中设备的初始温度远高于低温液体,当两者接触时会出现淬火换热现象。设备的快速预冷能够有效的减小低温液体的消耗量,同时让设备迅速进入工作状态。目前针对传热低温沸腾换热过程的研究发现通过表面改性可以大幅提升换热性能,因此其影响机理值得深入研究。本文通过可视化实验研究了沸腾表面纳米结构和热阻对液氮淬火换热的影响,主要工作针对以下几方面开展:1.液氮淬火换热的可视化实验研究搭建了液氮淬火换热的实验系统,通过高速摄像仪开展了具有不同表面特性和热阻的圆柱样品在液氮中淬火换热的可视化实验研究。基于传热反问题研究方法,针对本文淬火换热实验进行模型简化,推导出了由中心温度计算沸腾表面温度、热流密度和换热系数的公式。2.不同特性表面的制备方法研究重点研究了铝6061圆柱表面的阳极氧化膜处理过程,改变电解抛光和阳极氧化阶段的电化学反应条件,通过对比实验确定制备表面铝6061阳极氧化膜的最佳方案,从而得到... 

【文章来源】：上海交通大学上海市211工程院校985工程院校教育部直属院校

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

同沸腾阶段的q-Δt曲[6]

图 1-2 锈钢球在浓 0.01vol%的铝纳米流体中的沸腾换热曲-2 Quenching curves for stainless steel sphere repeatedly runs in alumina 0.01 vol% concentration[8]表面纳米颗粒沉积带来的性能提升启发了研究者们通过改变升沸腾换热性能。Hahne[9]等人于 1977 年提出粗糙度变化不是的原因所在，这是因为表面粗糙度主要影响汽化核心的位置分长，但在临界热流密度附近的沸腾区域，汽化核心增加导致气成气柱气块，此时汽化核心密度的改变对临界热流密度影响[10]，单纯的机械加工得到的粗糙表面，仅在制备完成初期提粗糙结构极易被污染破坏，随即失去强化效果。而性能优异的较为复杂困难，这引发研究者们进一步探索消耗材料更少、制经济节能的表面改性方法。冷却过程在工业生产中十分常见，Takeda D 等人[11]为了减少

是这个提升效果不能仅靠润湿性改善的作用来解释。当接触角低于临界值 10°时，微纳结构带来了更多尺度的换热面，使得液体更容易铺展并浸润传热表面加强了润湿性改善对临界热流密度的提升效果。研究发现，表面结构和润湿性对沸腾有显著的影响，表面结构有助于增加核态沸腾的活化核心数量，而亲水表面则能够提高临界热流密度[13]。1.2.2 多孔结构对沸腾换热的影响研究研究发现，通过对表面结构特性的定向改变而获得特殊的表面结构形貌可以有效提升沸腾换热性能，其中多孔结构和微纳复合结构在诸多方面性能优异，在能源动力、低温超导等方面的工业应用前景广泛。目前较为成熟的规则表面结构制备方法包括机械加工、等离子涂层涂覆等，这些方法的原理是在材料表面制造出一系列规则的小空腔，在表面发生沸腾换热时，蒸汽滞留在小空腔内，核态沸腾阶段的表面活化核心密度增大，从而提升沸腾换热性能。

【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔表面的液氮池沸腾实验研究[J]. 付鑫,任小军,张鹏,江世臣.  低温与超导. 2014(08)
[2]材料表面的润湿性[J]. 冯晓娟,石彦龙,杨武.  化学通报. 2014(05)
[3]纳米多孔铝阳极氧化膜的形成机理研究[J]. 朱绪飞,宋晔,肖迎红,朱晴,高魁,陆路德.  真空科学与技术学报. 2007(02)
[4]高质量规则多孔氧化铝模板的制备[J]. 马春兰.  物理学报. 2004(06)



本文编号：3620676