【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）超輕多孔泡沫金屬流動(dòng)與傳熱研究-熱能工程博士論文

分類號 密級 621 編號 中國科學(xué)院研究生院 博士學(xué)位論文 超輕多孔 泡沫金屬 流動(dòng)與 傳熱 研究 指導(dǎo)教師 研究員 中國科學(xué)院廣州能源研究所 申請學(xué)位級別 博士 學(xué)科專業(yè)名稱 熱能工程 論文提交日期 2009 年 5 月 論文答辯日期 2009 年 6 月 培養(yǎng)單位 中國科學(xué)院廣州能源研究所 學(xué)位授予單位 中國科學(xué)院研究生院 答辯委員會主席 y 2009 摘要 I 摘 要 超輕 多 孔泡沫 金屬 （簡稱泡沫金屬） 是一種新型的 多功能 材料，它具有比重小、孔隙率高 、比表面積大 等 突出特點(diǎn)，在傳熱學(xué)領(lǐng)域顯示了強(qiáng)勁的功能 。 對它的傳熱性能 及內(nèi)部流體流動(dòng)特性 進(jìn)行研究 符合人們 追求高性能材料輕質(zhì)化的需求 。 首先 ， 以去離子水為工質(zhì)， 對 泡沫金屬 結(jié)構(gòu) 表面的池沸騰進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)， 泡沫金屬 會顯著強(qiáng)化池沸騰換熱，降低沸騰起始點(diǎn)的過熱 度，換熱系數(shù)可達(dá)光表面的 23 倍。 泡沫金屬 孔密度、 厚度對沸騰換熱具有 重要影響，各自 呈現(xiàn)出強(qiáng)化和弱化換熱的兩面性 。 孔隙率的影響較為復(fù)雜 。 過冷度對沸騰的影響與 泡沫金屬 厚度有關(guān)，并表現(xiàn)出與光表面不同的特點(diǎn)。 其次， 在常壓下， 借助于高倍攝像儀對 泡沫金屬 結(jié)構(gòu) 表面的池沸騰進(jìn)行了可視化和熱傳輸研究， 所用工質(zhì)為丙酮 。 壁面 過熱度從 到 190 K,熱流達(dá)到 140 W/0 和 60泡沫金屬在低 過熱度 時(shí) ，氣泡 顯示出周期性產(chǎn)生和脫離現(xiàn)象，隨著 過熱度 的增 大 ，氣泡發(fā)生周期性聚合和再聚合模式 ， 隆狀氣泡 出現(xiàn) 。 對于 90泡沫金屬，在低 過熱度 時(shí)就發(fā)生氣泡聚合，在中等和高 過熱度 時(shí)， 氣泡 碎片不停的脫離 泡沫金屬 表面 。 沸騰曲線可劃分為三個(gè)區(qū)域，在區(qū)域 ， 高、低孔密度的泡沫金屬的傳熱模式不同 ， 其 沸騰曲線發(fā)生交叉。 再次， 研究了 泡沫金屬 結(jié)構(gòu) 表面 在不同 傾角 下的 池沸騰 換熱 。 結(jié)果表明 方位角對換熱 有一定的影響， 影響 程度與 過冷度 有關(guān) 。 在低 熱流 時(shí) ， 換熱效果 隨角度的增大而 減小 ， 而 在高熱流 時(shí) 正好相反 ，當(dāng) 泡沫金屬 孔密度為 90，部分傾角的沸騰曲線發(fā)生交叉。 接著， 對單相流體在 泡沫金屬 通道中的流動(dòng)和換熱進(jìn)行了研究，所用工質(zhì)為 去離子水 。 獲 取了熱流密度、 泡沫金屬 孔密度、液體流量等參數(shù)對層流流體流過 泡沫金屬 時(shí)的壓降、通道壁面溫度、對流換熱等特性的影響。 結(jié)果表明 泡沫金屬 會顯著強(qiáng)化對流換熱，大大 降低通道的壁面溫度，其對流換熱能力隨雷諾數(shù) 增大而逐漸增強(qiáng)， 最大努塞爾數(shù) 達(dá)空矩形通道的 13 倍，但與空通道相比， 泡沫金屬 通道的壓降顯著增大，并隨 及 泡沫金屬 孔密度的增大而增大 。 超輕多孔泡沫金屬流動(dòng)與傳熱研究 后， 研究了 泡沫金屬 通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰 ， 發(fā)現(xiàn)了在流動(dòng)沸騰過程中的周期波動(dòng)現(xiàn)象，波動(dòng)包括出口溫度，壓力降及流量，他們的波動(dòng) 受 熱流密度 等因素的 影響 。實(shí)驗(yàn) 也 表明流體在泡沫金屬中的 流動(dòng)壓降和摩擦乘子受孔密度、液體流量及 兩相流 干度的影響較大。 同時(shí)實(shí)驗(yàn)中 得到了適用于高孔隙率泡沫金屬通道的兩相流摩擦壓降實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 。 關(guān)鍵詞 ： 泡沫 金屬； 池沸騰 ； 流動(dòng) 沸騰； 換熱；流動(dòng)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 輕多孔泡沫金屬流動(dòng)與傳熱研究 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 輕多孔泡沫金屬流動(dòng)與傳熱研究 要符號表 傾角的無量綱參數(shù) / 360 e 2l g C 系數(shù) 毛細(xì)數(shù) Re l 熱表面間的特性常數(shù) J/(J/( 達(dá)西數(shù) 2 m m m m m h 的 當(dāng)量直徑 m E 無量綱參數(shù) /lE k kF 無量綱參數(shù) f 空通道摩擦 阻力系數(shù) 道摩擦 阻力系數(shù) G 形狀函數(shù)； 流量 g 重力加速度 m/ 通道的高度 m h 表面換熱系 數(shù) W/( J/ 電流 A 亞克伯?dāng)?shù) /l p l g f gJ a C T h K 滲透率 k 導(dǎo)熱系數(shù) W/(mK) L 通道長度 m l 孔棱 長 m M 質(zhì)量 壓縮比 努塞爾數(shù) / 普朗特?cái)?shù) / Q 有效熱量 J q 熱流密度 W/者 kW/e 雷諾數(shù) / 基于多孔介質(zhì)的等效球直徑 1Re r 內(nèi)外孔棱直徑比 截面積 t 斯坦頓數(shù) p l w s a m2/ 溫度 液體飽和溫度 液體實(shí)際溫度 oC oC t 時(shí)間 s U 電壓 V u 速度 m/s V 體積 通道的寬度 m x 熱力學(xué)干度 數(shù) P 壓降 溫度差 K 冷度 K 面過熱度 K ,tp 相摩擦壓降 孔隙率 表面張力 (N/m) 密度 kg/m3 r相對密度 粘性系數(shù) 運(yùn)動(dòng)黏度 厚度 m 熱效率 f分液相摩擦乘子 泡沫金屬表面傾角 單位：度 無量綱的溫度參數(shù) 下標(biāo)： i 第 i 個(gè)測量點(diǎn) l 液體 g 氣體 s 固體 o 光表面 對流 有效的 總的 單相 兩相 入口 出口 壓縮的 未壓縮的超輕多孔泡沫金屬流動(dòng)與傳熱研究 錄 摘 要 . I . 要符號表 . 錄 . 1 章 引言 . 1 究背景 .沫金屬簡介 . 泡沫金屬的發(fā)展 . 3 沫金屬的結(jié)構(gòu)和熱性能 . 8 沫金屬的結(jié)構(gòu) . 8 沫金屬的熱性能 . 11 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 阻力特性 . 12 熱特性 . 15 沫金屬單相傳熱研究 . 15 沫金屬多相傳熱研究 . 17 究目的和內(nèi)容 . 2 章 泡沫金屬強(qiáng)化池沸騰換熱研究 . 20 言 .驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法 . 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 20 驗(yàn)段 . 22 驗(yàn)過程 . 23 驗(yàn)用泡沫金屬和特征參數(shù) . 24 驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與不確定度分析 . 28 驗(yàn)結(jié)果與分析 . 孔密度的影響 . 29 度的影響 . 31 隙率的影響 . 31 冷度的影響 . 33 化換熱的討論與分析 . 33 論、無量綱分析和擬合 .錄 回顧與分析 . 34 量綱分析和擬合 . 38 結(jié) . 42 第 3 章 泡沫金屬表面池沸騰可視化研究 . 44 言 . 44 驗(yàn)裝置和過程 . 45 驗(yàn)裝置 . 45 驗(yàn)段 . 45 質(zhì)和不凝性氣體含量的估計(jì) . 46 果和討論 . 48 騰模式的可視化 . 48 0沫金屬表面池沸騰的可視化 . 48 狀氣泡的形成 . 51 0沫金屬表面池沸騰的可視化 . 53 酮在泡沫金屬表面的沸騰換熱 . 54 沫金屬參數(shù)對沸騰換熱的影響 . 58 究工作的比較 . 60 章小結(jié)： . 61 第 4 章 傾角對泡沫金屬表面池沸騰換熱 的影響 . 63 言 . 63 驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法 . 63 驗(yàn)結(jié)果與分析 . 64 角對換熱的影響 . 64 騰滯后 . 69 論與分析 . 70 章小結(jié) . 71 第 5 章、泡沫金屬中的單相流動(dòng)和換熱特性研究 . 73 驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法 . 73 驗(yàn)系統(tǒng) . 73 驗(yàn)段和泡沫金屬材料 . 74 量方法和不確定度分析 . 75 量方法 . 75 確定度分析 . 76 據(jù)處理 . 76 驗(yàn)結(jié)果與分析 . 77 超輕多孔泡沫金屬流動(dòng)與傳熱研究 X 通道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 . 77 相流動(dòng)阻力特性 . 78 相對流換熱特性 . 79 章小結(jié) . 6 章 泡沫金屬中流動(dòng)沸騰的壓降特性和不穩(wěn)定性研究 . 84 言 .驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法 . 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) . 84 驗(yàn)段和泡沫材料 . 85 據(jù)處理 .驗(yàn)結(jié)果與分析 . 單相流體摩擦系數(shù) . 87 相流體摩擦系數(shù) . 90 動(dòng)沸騰的不 穩(wěn)定性 . 99 章小結(jié) . 7 章 結(jié)論與展望 . 107 文的主要結(jié)論 .文的研究意義及創(chuàng)新 .望與建議 .考文獻(xiàn) . 111 博士期間發(fā)表的論文 . 121 致 謝 . 122 第 1 章 引言 1 第 1 章 引言 超輕多孔泡沫金屬是近年來隨著多樣化需求的材料制備以及機(jī)械加工技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種具有優(yōu)異物理特性、新穎的、多功能材料，它具有多孔、減振、阻尼、吸音、隔音、散熱、吸收沖擊能、電磁屏蔽等 多種物理性能 1，自從它的問世以來，就 在工業(yè)和 國防 等領(lǐng)域中 顯示出廣泛的應(yīng)用價(jià)值，并成為人們跨學(xué)科研究的新課題， 其中包括泡沫金屬熱性能的研究，理解和把握泡沫金屬的傳熱性能及流體在其內(nèi)部的流動(dòng)特性將具有重要的意義。因此本文選取了高孔隙率的泡沫金屬進(jìn)行研究，即研究 泡沫金屬對池沸騰、 單相和兩相 流動(dòng) 與換熱 的影響，并得到了一些描述傳熱和流動(dòng)特性的關(guān)系式。 本章主要介紹本文的研究背景，強(qiáng)化傳熱的方式，泡沫金屬材料的 發(fā)展、制備、特性及分類， 概述了泡沫金屬傳熱的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀， 最后 簡述了研究目的和內(nèi)容 。 究背景 在現(xiàn)實(shí)生活中，傳熱學(xué)的研究具有重要意義，因?yàn)樗难芯糠秶w了自然界和工業(yè)生產(chǎn)中存在的與熱量傳遞與交換有關(guān)的所有現(xiàn)象 。 各種換熱器以及各種加熱、隔熱、儲熱技術(shù)都是傳熱學(xué)的研究內(nèi)容，涉及化工、石油、動(dòng)力工程、航天、醫(yī)學(xué)、冶金、空調(diào)、鍋爐、海洋、氣象和環(huán)境保護(hù)、環(huán)境管理等諸多領(lǐng)域。例如 熱 電廠熱系統(tǒng)中的凝汽器、給水加熱器、冷卻塔；鍋爐系統(tǒng)的過熱器、空氣預(yù)熱器；石油化工中廣泛采用的加熱及冷卻設(shè)備；超聲速飛機(jī)、宇宙飛船發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室襯套以及微電子的冷卻等都是換熱器應(yīng)用 2。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中所用換熱器的投資大約占 設(shè)備總投資的 30 ，在煉油廠中換熱器占全部工藝設(shè)備的 40 左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成 3。 近年來，隨著高、新、尖端技術(shù)的迅速發(fā)展，各行業(yè)對傳熱學(xué)科提出 了 越來越高的要求 ，無論在工業(yè)生產(chǎn)中還是在高科技領(lǐng)域都不可避免地涉及能源有效利用、熱量傳輸及其強(qiáng)化問題， 突出表現(xiàn) 在以下幾個(gè)方面： （ 1） 世界面臨著能源短缺的 格局 ， 節(jié)約能量消耗 和 開發(fā)利用新能源 引起了世界各國的普遍關(guān)注，設(shè)計(jì)和制造各 種 高性能換熱設(shè)備是 高效 開發(fā)和利用能源的重要 措施超輕多孔泡沫金屬流動(dòng)與傳熱研究 2 和手段 ，這對于動(dòng)力 、 石油 、 冶金 、 化工制冷以及食品等工業(yè)部門都有著極為重要 的意義 。 （ 2） 隨著航空 、 航天技術(shù)的發(fā)展，各種新型飛行器層出不窮，航空和航天推進(jìn)技術(shù) 的發(fā)展達(dá)到了 前所未有的程度，所涉及的各種熱設(shè)備的工作溫度也在不斷提高，為了保證熱設(shè)備 具 有長的工作壽命和在高效率下安全運(yùn)行 的性能 ，必需要解決如何將飛行器中各類電子元件以及其它耗功散熱部件所釋放出的熱量 及時(shí) 移除并傳輸?shù)江h(huán)境中，即必須可靠而經(jīng)濟(jì)地解決高溫設(shè)備的冷卻問題 4。 （ 3） 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用環(huán)境的日趨復(fù)雜，電子設(shè)備的尺寸越來越小而集成化程度越來越高，密集 分布 的大功率設(shè)備中的釋能密度日益提高，例如 隨著 超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展， 一個(gè)芯片有數(shù)以萬計(jì)甚至十萬計(jì)的邏輯門， 同時(shí) 在一個(gè)大功率的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，要包括成百上千個(gè)芯片，這就需要在很小的體積內(nèi)、在很短的時(shí)間 內(nèi) 散去 多 達(dá)幾千瓦的熱量， 以維持電子在正常 環(huán)境 溫度下進(jìn)行工作 ，因此，微電子器件的冷卻散熱問題一直是微電子領(lǐng)域和傳熱領(lǐng)域中共同關(guān) 心 的熱點(diǎn)問題 2，是電子設(shè)備性能和工作壽命的必要保證。因此需要 研究 更先進(jìn)的材料進(jìn)一步提高微電子設(shè)備的散熱問題 ，同時(shí)減輕設(shè)備的重量。 （ 4） 越來越受到廣泛重視的環(huán)保領(lǐng)域 中的 工業(yè)和民用三廢的凈化處 理也離不開熱量的傳輸和效地利用熱能并回收三廢中的余熱，以節(jié)約能源 ，也需要 進(jìn)一步開展強(qiáng)化傳熱的研究。另外，隨著核電站技術(shù)的發(fā)展，也對散熱提出了 更 嚴(yán)格的要求。 總之，無論是從理論的角度還是從工業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)的方面看，透徹研究 各種傳熱過程的強(qiáng)化問題，設(shè)計(jì) 并 制造出高效換熱器，不僅是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中必須解決的問題，同時(shí)也是開展節(jié)能和開發(fā)新能源的迫切任務(wù) 。 因此從二十世紀(jì) 60年代發(fā)展起來的一種改善傳熱性能的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)， 就成為 一個(gè)十分引人注目的研究領(lǐng)域，它不僅可以推動(dòng)理論進(jìn)步，而且可以為工程實(shí)際提供更加準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)，為國民經(jīng)濟(jì)的 快速發(fā)展和進(jìn)步提供動(dòng)力。 目前強(qiáng)化換熱的措施主要分兩類： （ 1） 被動(dòng)強(qiáng)化傳熱：不直接使用外界動(dòng)力 所進(jìn)行的 強(qiáng)化換熱措施，其優(yōu)點(diǎn)是不直接消耗外來動(dòng)力，操作維護(hù)方便，故己被廣泛應(yīng)用 ，主要有以下幾種： 對加熱表面進(jìn)行處理 改變加熱表面材料的