泡沫金属强化沸腾传热过程的研究

发布时间：2017-10-09 11:27

  本文关键词：泡沫金属强化沸腾传热过程的研究

  更多相关文章： 泡沫金属 沸腾 相变 气泡 格子Boltzmann方法

【摘要】：泡沫金属由于其特有的微观骨架结构,具有高孔隙率、高导热系数等特点,在航天航空、高效电子冷却、建筑节能等领域具有广泛的应用前景。由于泡沫金属的结构复杂性,泡沫金属内气液相变强化传热机理研究尚不清晰。目前泡沫金属强化沸腾传热的研究主要在宏观层面展开,以实验研究为主,通过实验数据分析,获得经验理论计算公式。然而泡沫金属强化沸腾换热的实验研究还不够充分,同时泡沫金属微观孔隙结构对气液两相流动和换热过程的影响尚未阐明。本论文针对现有泡沫金属强化沸腾换热研究的不足,结合泡沫金属的孔隙结构特点,在充分分析沸腾相变换热物理机制的基础上,对泡沫金属强化沸腾换热过程进行了系统研究。具体的研究内容包括：1.多孔介质内气泡动力学特性的LBM方法模拟研究。将泡沫金属视为多孔介质,基于泡沫金属的骨架结构,建立了多孔介质内气泡动力学行为的物理模型,利用lattice Boltzmann method (LBM)方法模拟等温条件下孔隙尺度内的气-液两相流动。考虑多孔介质内流体间以及流固间的相互作用力,采用多组分单松弛的Shan-Chen模型,模拟气泡在孔隙结构内的运动形态。基于该模型,分析多孔介质对气泡动力学行为的影响,探索气泡直径、多孔介质骨架间距以及多孔介质骨架布置方式对气泡上升速度的影响,研究流场对气泡运动特性的影响。在研究单个气泡运动特性及其运动过程的基础上,考虑气泡之间和气泡与流体之间的相互作用力,研究多个气泡运动过程中的运动轨迹、聚并行为等动力学行为。研究结果表明,由于多孔介质的存在,在靠近多孔介质的地方,两相流流场发生了改变,流线发生弯曲,从而改变气泡运动速度和运动形态：合理配置多孔介质结构参数可以加快气泡的运动速度,从而强化气液两相流动与换热过程。研究结果有助于深入认识泡沫金属强化沸腾换热过程。2.含有泡沫金属的加热表面过冷池沸腾相变换热试验研究。在综述国内外池状沸腾试验装置现状并结合实际情况的基础上,设计并搭建一套用于测定泡沫金属强化池状沸腾传热性能的试验装置,研究含有泡沫金属的加热表面过冷池沸腾相变换热特性,揭示加热表面相变换热性能的作用机理和影响因素,如泡沫金属pores per inch (PPI)值、热流密度、加热面倾角等。重点探索基于孔隙尺度的可视化试验研究方法,揭示了微观孔隙结构下池沸腾换热过程中气泡在泡沫金属孔隙内的动力学行为,如气泡生长、气液界面动态变化、气泡融合等现象。研究结果表明,多孔金属结构对气泡运动过程和形态变化具有重要影响。当泡沫金属PPI值增大时,其孔隙数目增多,孔隙直径减小,换热面积增大,沸腾气泡核心增多,但是泡沫金属的渗透率减小,增大流体流动阻力和气泡逃逸阻力；当泡沫金属厚度增大时,换热面积增大,沸腾成核点增多,流体流动阻力和气泡逃逸阻力增大。3.填充泡沫金属的方管内流动沸腾强化换热研究。设计并搭建一套用于测定填充泡沫金属的方管内流动沸腾强化换热研究的试验装置,记录试验过程中温度和压力等参数,并且观测管内流型变化。建立方管内流动沸腾气液两相流动与换热模型,并与实验结果进行验证；研究填充泡沫金属的方管内流动沸腾压降特性；研究填充泡沫金属的方管内流动沸腾换热特性,探索其换热特性的影响因素,如泡沫金属PPI值、热流密度、质量流量等。当泡沫金属的PPI值增大时,试验段的换热系数和单位压降△P增大。因此,泡沫金属提高流动沸腾换热性能是以增大管内压降为代价的。在应用泡沫金属强化两相换热的过程中,需要综合考虑换热和压降性能,以作出合适的选择。本文采用理论与试验相结合的方法研究泡沫金属内沸腾换热特性,探索泡沫金属强化沸腾换热过程的各种影响因素。相关研究将进一步完善泡沫金属内气液两相流动与换热理论,同时对于泡沫金属在低温制冷等领域的应用提供理论指导和技术支撑。
【关键词】：泡沫金属 沸腾 相变 气泡 格子Boltzmann方法
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 主要符号表9-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 课题研究背景与意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-27
• 1.2.1 气泡动力学行为的研究15-20
• 1.2.1.1 格子Boltzmann方法在多相流运动及传热中的应用17-18
• 1.2.1.2 格子Boltzmann方法在多孔介质内多相流运动中的应用18-20
• 1.2.2 沸腾换热及其强化传热技术20-27
• 1.2.2.1 泡沫金属强化池沸腾换热过程的研究22-25
• 1.2.2.2 泡沫金属强化流动沸腾换热过程的研究25-27
• 1.3 本文的研究内容27-28
• 1.4 本章小结28-30
• 第二章 泡沫金属的主要性能参数研究30-38
• 2.1 序言30
• 2.2 泡沫金属孔隙率测定30-31
• 2.3 泡沫金属有效导热系数研究31-35
• 2.3.1 试验原理和总体设计31
• 2.3.2 试验数据处理31-32
• 2.3.3 试验结果讨论32-33
• 2.3.4 试验结果验证33-35
• 2.4 泡沫金属的渗透率35
• 2.5 泡沫金属的热交换面积35-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章 多孔介质内气泡动力学特性的LBM方法模拟研究38-66
• 3.1 引言38
• 3.2 格子Boltzmann方法原理及Shan-Chen模型38-42
• 3.2.1 格子Boltzmann方法的发展历史38-39
• 3.2.2 多相多组分格子Boltzmann模型39-41
• 3.2.3 宏观控制方程与无量纲准则数41-42
• 3.2.4 模型验证42
• 3.3 多孔介质内的LBM模拟42-43
• 3.3.1 物理模型43
• 3.3.2 初始条件和边界条件设定43
• 3.4. 计算结果及讨论43-65
• 3.4.1 单个气泡动力特性分析44-57
• 3.4.1.1 多孔介质对气泡动力学行为的影响44-48
• 3.4.1.2 Eo数对气泡运动的影响48-51
• 3.4.1.3 气泡直径对气泡运动的影响51-52
• 3.4.1.4 多孔介质骨架间距对气泡运动的影响52-53
• 3.4.1.5 多孔介质骨架排列形式对气泡运动的影响53-56
• 3.4.1.6 两相流体黏度比对气泡运动的影响56
• 3.4.1.7 流体运动状态对气泡运动的影响56-57
• 3.4.2 多个气泡动力特性分析57-65
• 3.4.2.1 两个气泡并排放置时的运动特性58-62
• 3.4.2.2 两个气泡上下放置时的运动特性62-65
• 3.5. 本章小结65-66
• 第四章 含有泡沫金属的加热表面过冷池沸腾相变换热试验研究66-88
• 4.1 引言66
• 4.2 试验原理和总体设计66-67
• 4.3 试验系统搭建及相关试验设备介绍67-72
• 4.3.1 主要试验设备67-69
• 4.3.2 试验块设计与加工69-70
• 4.3.3 试验系统搭建70-71
• 4.3.4 试验方法71-72
• 4.4 数据处理和误差分析72-73
• 4.4.1 试验数据处理72
• 4.4.2 误差分析72-73
• 4.5 带有泡沫金属表面过冷池沸腾相变换热特性分析73-78
• 4.5.1 泡沫金属PPI值对换热性能的影响73-74
• 4.5.2 泡沫金属层厚度对换热性能的影响74-75
• 4.5.3 加热面倾角对换热性能的影响75-77
• 4.5.4 温度漂移和滞后现象77-78
• 4.6 竖直壁面池沸腾过程中气泡行为过程可视化研究78-86
• 4.6.1 竖直壁面池沸腾过程中泡沫金属表面气泡行为过程可视化研究78-81
• 4.6.2 竖直壁面池沸腾过程中泡沫金属内气泡行为过程微观可视化研究81-86
• 4.6.2.1 单个气泡的运动过程81-84
• 4.6.2.2 两个气泡的合并过程84-85
• 4.6.2.3 多气泡的合并过程85-86
• 4.7 本章小结86-88
• 第五章 填充泡沫金属的方管内流动沸腾强化换热研究88-108
• 5.1 引言88
• 5.2 试验原理和总体设计88-90
• 5.3 试验系统搭建及相关试验设备介绍90-95
• 5.3.1 主要试验设备90-92
• 5.3.2 试验段设计92-93
• 5.3.3 试验系统搭建93-94
• 5.3.4 试验方法94
• 5.3.5 数据处理和误差分析94-95
• 5.4 光管内流动沸腾换热特性分析95-102
• 5.4.1 光管内流动沸腾换热特性研究96
• 5.4.2 模型验证96-97
• 5.4.3 方管内流型和沸腾换热理论97-102
• 5.4.3.1 方管内流动沸腾流型模型建立97-99
• 5.4.3.2 方管内流动沸腾流型模型验证99-101
• 5.4.3.3 方管内流动沸腾换热模型建立101-102
• 5.4.3.4 方管内流动沸腾换热模型验证102
• 5.5 填充泡沫金属的方管内流动沸腾压降与换热特性研究102-105
• 5.5.1 填充泡沫金属的方管内流动沸腾压降特性研究102-103
• 5.5.2 填充泡沫金属的方管内流动沸腾换热特性研究103-105
• 5.6 本章小节105-108
• 第六章 结论与展望108-112
• 6.1 结论108-109
• 6.2 主要创新点109-110
• 6.3 工作展望110-112
• 参考文献112-124
• 致谢124-126
• 攻读博士学位期间取得的主要学术成果126-128

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 谷岳;泡沫金属[J];汽车工艺与材料;2000年09期

2 耀星;粉末冶金泡沫金属应用前景看好[J];粉末冶金工业;2001年01期

3 王录才,于利民,王芳,李秀山;多孔泡沫金属的研究及其前景展望[J];太原重型机械学院学报;2002年01期

4 于英华,梁冰,李智超;多孔泡沫金属研究现状及分析[J];青岛建筑工程学院学报;2003年01期

5 刘亚俊,赵生权,刘崴,陈平,汤勇;泡沫金属制备方法及其研究概况[J];现代制造工程;2004年09期

6 史承明;王晓明;张陵;;泡沫金属及其在建筑工程中的应用[J];陕西理工学院学报(自然科学版);2006年02期

7 徐家庆;徐雍;汪京心;;铸造泡沫金属[J];新技术新工艺;1991年03期

8 余兴泉，何德;泡沫金属机械阻尼性能研究[J];机械工程材料;1994年02期

9 刘中华,陈雯,张昆丽,朱诚意,何发泉;泡沫金属的制备与应用[J];昆明理工大学学报;1999年03期

10 王德庆,石子源;泡沫金属的生产、性能与应用[J];大连铁道学院学报;2001年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 杨思一;吕广庶;;具有规则孔型的泡沫金属结构设计与制造方法研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年

2 柳畅;陈常青;沈亚鹏;;小泡沫金属压痕试验的数值模拟及其反演[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

3 陈振乾;施明恒;;泡沫金属内流体冻结相变的传热过程[A];第四届全国制冷空调新技术研讨会论文集[C];2006年

4 宋绍峰;姜培学;;泡沫金属与针翅结构换热器的实验研究[A];2007年中国机械工程学会年会论文集[C];2007年

5 郑志军;虞吉林;;泡沫金属的动态压溃:冲击压缩、多尺度模拟和率敏感性[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

6 蒋家桥;黄西成;胡时胜;;泡沫金属缓冲器的设计新方法及应用[A];中国工程物理研究院科技年报（2003）[C];2003年

7 李剑荣;寇东鹏;虞吉林;;具有双重尺寸孔结构的开孔泡沫金属的优化设计[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

8 穆林;韩瑶;张建;赵桂平;卢天健;;基于分形理论的泡沫金属材料力学细观结构分析[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

9 高建成;刘赵淼;;泡沫金属的力学性能研究进展[A];北京力学会第13届学术年会论文集[C];2007年

10 杨秀;陈振乾;施明恒;;泡沫金属内流体冻结相变传热过程的研究[A];中国制冷学会2007学术年会论文集[C];2007年

中国重要报纸全文数据库 前4条

1 张译中;金属泡沫材料研究进展[N];世界金属导报;2002年

2 中航工业制造所 侯红亮;新型轻量化功能与结构材料——泡沫金属及其三明治结构[N];中国航空报;2014年

3 石发清;制备泡末铝工艺的研究[N];中国有色金属报;2005年

4 李有观;制造泡沫铝合金材料的新技术[N];中国有色金属报;2005年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张晓阳;多轴条件下基于细观结构模型的泡沫金属屈服与破坏行为研究[D];华南理工大学;2016年

2 施娟;泡沫金属强化沸腾传热过程的研究[D];东南大学;2015年

3 王长峰;泡沫金属的动态压溃模型和率敏感性分析[D];中国科学技术大学;2013年

4 李科;泡沫金属发泡过程的泡沫演化动力学研究[D];大连理工大学;2009年

5 韩春光;拉伸条件下泡沫金属的细观统计分析模型及统计特性研究[D];华南理工大学;2011年

6 罗彦茹;泡沫SiC_p/ZL104复合材料的制备及性能研究[D];吉林大学;2007年

7 周志伟;泡沫铝合金与芳纶纸蜂窝的屈服行为研究[D];太原理工大学;2013年

8 寇东鹏;细观结构对多孔金属材料力学性能的影响及多目标优化设计[D];中国科学技术大学;2008年

9 刘家安;陶瓷/ZA22复合泡沫的制备及性能研究[D];吉林大学;2009年

10 黄晓莉;泡沫Fe-Ni电磁屏蔽材料的设计与屏蔽机理研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 黄媛媛;开孔泡沫金属微结构强化传热性能的数值模拟研究[D];华东理工大学;2015年

2 杨皓;纯铝泡沫的真空发泡制备与力学性能研究[D];昆明理工大学;2015年

3 高晓莉;泡沫金属磁流变液阻尼器的优化设计及性能研究[D];上海应用技术学院;2015年

4 张学丽;吸声降噪密胺泡沫的制备与表征[D];北京化工大学;2015年

5 王江龙;冲击载荷作用下梯度泡沫的压缩特性分析[D];太原理工大学;2016年

6 封伟民;泡沫镁材料的制备与性能研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

7 牛玲;紧凑式换热器优化设计及其相变传热研究[D];郑州大学;2016年

8 郭坤山;泡沫钢的制备与组织性能研究[D];昆明理工大学;2016年

9 李朝剑;空心微球结构泡沫金的光电特性研究[D];云南大学;2016年

10 孙猛;泡沫金属磁流变液阻尼器的半主动控制特性研究[D];上海应用技术大学;2016年

，

本文编号：999923