分類號 密級 621 編號 中國科學院研究生院 博士學位論文 超輕多孔 泡沫金屬 流動與 傳熱 研究 指導教師 研究員 中國科學院廣州能源研究所 申請學位級別 博士 學科專業名稱 熱能工程 論文提交日期 2009 年 5 月 論文答辯日期 2009 年 6 月 培養單位 中國科學院廣州能源研究所 學位授予單位 中國科學院研究生院 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，在傳熱學領域顯示了強勁的功能 。 對它的傳熱性能 及內部流體流動特性 進行研究 符合人們 追求高性能材料輕質化的需求 。 首先 ， 以去離子水為工質， 對 泡沫金屬 結構 表面的池沸騰進行了研究。研究發現， 泡沫金屬 會顯著強化池沸騰換熱，降低沸騰起始點的過熱 度，換熱系數可達光表面的 23 倍。 泡沫金屬 孔密度、 厚度對沸騰換熱具有 重要影響，各自 呈現出強化和弱化換熱的兩面性 。 孔隙率的影響較為復雜 。 過冷度對沸騰的影響與 泡沫金屬 厚度有關，并表現出與光表面不同的特點。 其次， 在常壓下， 借助于高倍攝像儀對 泡沫金屬 結構 表面的池沸騰進行了可視化和熱傳輸研究， 所用工質為丙酮 。 壁面 過熱度從 到 190 K,熱流達到 140 W/0 和 60泡沫金屬在低 過熱度 時 ，氣泡 顯示出周期性產生和脫離現象，隨著 過熱度 的增 大 ，氣泡發生周期性聚合和再聚合模式 ， 隆狀氣泡 出現 。 對于 90泡沫金屬，在低 過熱度 時就發生氣泡聚合，在中等和高 過熱度 時， 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區域，在區域 ， 高、低孔密度的泡沫金屬的傳熱模式不同 ， 其 沸騰曲線發生交叉。 再次， 研究了 泡沫金屬 結構 表面 在不同 傾角 下的 池沸騰 換熱 。 結果表明 方位角對換熱 有一定的影響， 影響 程度與 過冷度 有關 。 在低 熱流 時 ， 換熱效果 隨角度的增大而 減小 ， 而 在高熱流 時 正好相反 ，當 泡沫金屬 孔密度為 90，部分傾角的沸騰曲線發生交叉。 接著， 對單相流體在 泡沫金屬 通道中的流動和換熱進行了研究，所用工質為 去離子水 。 獲 取了熱流密度、 泡沫金屬 孔密度、液體流量等參數對層流流體流過 泡沫金屬 時的壓降、通道壁面溫度、對流換熱等特性的影響。 結果表明 泡沫金屬 會顯著強化對流換熱，大大 降低通道的壁面溫度，其對流換熱能力隨雷諾數 增大而逐漸增強， 最大努塞爾數 達空矩形通道的 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與傳熱研究 后， 研究了 泡沫金屬 通道內的流動沸騰 ， 發現了在流動沸騰過程中的周期波動現象，波動包括出口溫度，壓力降及流量，他們的波動 受 熱流密度 等因素的 影響 。實驗 也 表明流體在泡沫金屬中的 流動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。 同時實驗中 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驗關聯式 。 關鍵詞 ： 泡沫 金屬； 池沸騰 ； 流動 沸騰； 換熱；流動特性 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與傳熱研究 要符號表 傾角的無量綱參數 / 360 e 2l g C 系數 毛細數 Re l 熱表面間的特性常數 J/(J/( 達西數 2 m m m m m h 的 當量直徑 m E 無量綱參數 /lE k kF 無量綱參數 f 空通道摩擦 阻力系數 道摩擦 阻力系數 G 形狀函數； 流量 g 重力加速度 m/ 通道的高度 m h 表面換熱系 數 W/( J/ 電流 A 亞克伯數 /l p l g f gJ a C T h K 滲透率 k 導熱系數 W/(mK) L 通道長度 m l 孔棱 長 m M 質量 壓縮比 努塞爾數 / 普朗特數 / Q 有效熱量 J q 熱流密度 W/者 kW/e 雷諾數 / 基于多孔介質的等效球直徑 1Re r 內外孔棱直徑比 截面積 t 斯坦頓數 p l w s a m2/ 溫度 液體飽和溫度 液體實際溫度 oC oC t 時間 s U 電壓 V u 速度 m/s V 體積 通道的寬度 m x 熱力學干度 數 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 運動黏度 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 下標： i 第 i 個測量點 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 . 泡沫金屬的發展 . 3 沫金屬的結構和熱性能 . 8 沫金屬的結構 . 8 沫金屬的熱性能 . 11 內外研究現狀 . 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 究目的和內容 . 2 章 泡沫金屬強化池沸騰換熱研究 . 20 言 .驗裝置與實驗方法 . 實驗系統 . 20 驗段 . 22 驗過程 . 23 驗用泡沫金屬和特征參數 . 24 驗數據處理與不確定度分析 . 28 驗結果與分析 . 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 . 42 第 3 章 泡沫金屬表面池沸騰可視化研究 . 44 言 . 44 驗裝置和過程 . 45 驗裝置 . 45 驗段 . 45 質和不凝性氣體含量的估計 . 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 沫金屬參數對沸騰換熱的影響 . 58 究工作的比較 . 60 章小結： . 61 第 4 章 傾角對泡沫金屬表面池沸騰換熱 的影響 . 63 言 . 63 驗裝置與實驗方法 . 63 驗結果與分析 . 64 角對換熱的影響 . 64 騰滯后 . 69 論與分析 . 70 章小結 . 71 第 5 章、泡沫金屬中的單相流動和換熱特性研究 . 73 驗裝置與實驗方法 . 73 驗系統 . 73 驗段和泡沫金屬材料 . 74 量方法和不確定度分析 . 75 量方法 . 75 確定度分析 . 76 據處理 . 76 驗結果與分析 . 77 超輕多孔泡沫金屬流動與傳熱研究 X 通道的實驗結果 . 77 相流動阻力特性 . 78 相對流換熱特性 . 79 章小結 . 6 章 泡沫金屬中流動沸騰的壓降特性和不穩定性研究 . 84 言 .驗裝置與實驗方法 . 實驗系統 . 84 驗段和泡沫材料 . 85 據處理 .驗結果與分析 . 單相流體摩擦系數 . 87 相流體摩擦系數 . 90 動沸騰的不 穩定性 . 99 章小結 . 7 章 結論與展望 . 107 文的主要結論 .文的研究意義及創新 .望與建議 .考文獻 . 111 博士期間發表的論文 . 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械加工技術的迅速發展而出現的一種具有優異物理特性、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 在工業和 國防 等領域中 顯示出廣泛的應用價值，并成為人們跨學科研究的新課題， 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部的流動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行研究，即研究 泡沫金屬對池沸騰、 單相和兩相 流動 與換熱 的影響，并得到了一些描述傳熱和流動特性的關系式。 本章主要介紹本文的研究背景，強化傳熱的方式，泡沫金屬材料的 發展、制備、特性及分類， 概述了泡沫金屬傳熱的國內外研究現狀， 最后 簡述了研究目的和內容 。 究背景 在現實生活中，傳熱學的研究具有重要意義，因為它的研究范圍涵蓋了自然界和工業生產中存在的與熱量傳遞與交換有關的所有現象 。 各種換熱器以及各種加熱、隔熱、儲熱技術都是傳熱學的研究內容，涉及化工、石油、動力工程、航天、醫學、冶金、空調、鍋爐、海洋、氣象和環境保護、環境管理等諸多領域。例如 熱 電廠熱系統中的凝汽器、給水加熱器、冷卻塔；鍋爐系統的過熱器、空氣預熱器；石油化工中廣泛采用的加熱及冷卻設備；超聲速飛機、宇宙飛船發動機燃燒室襯套以及微電子的冷卻等都是換熱器應用 2。 據統計，在現代化學工業中所用換熱器的投資大約占 設備總投資的 30 ，在煉油廠中換熱器占全部工藝設備的 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、尖端技術的迅速發展，各行業對傳熱學科提出 了 越來越高的要求 ，無論在工業生產中還是在高科技領域都不可避免地涉及能源有效利用、熱量傳輸及其強化問題， 突出表現 在以下幾個方面： （ 1） 世界面臨著能源短缺的 格局 ， 節約能量消耗 和 開發利用新能源 引起了世界各國的普遍關注，設計和制造各 種 高性能換熱設備是 高效 開發和利用能源的重要 措施超輕多孔泡沫金屬流動與傳熱研究 2 和手段 ，這對于動力 、 石油 、 冶金 、 化工制冷以及食品等工業部門都有著極為重要 的意義 。 （ 2） 隨著航空 、 航天技術的發展，各種新型飛行器層出不窮，航空和航天推進技術 的發展達到了 前所未有的程度，所涉及的各種熱設備的工作溫度也在不斷提高，為了保證熱設備 具 有長的工作壽命和在高效率下安全運行 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 移除并傳輸到環境中，即必須可靠而經濟地解決高溫設備的冷卻問題 4。 （ 3） 隨著科學技術的發展和應用環境的日趨復雜，電子設備的尺寸越來越小而集成化程度越來越高，密集 分布 的大功率設備中的釋能密度日益提高，例如 隨著 超大規模集成電路技術的發展， 一個芯片有數以萬計甚至十萬計的邏輯門， 同時 在一個大功率的計算機系統中，要包括成百上千個芯片，這就需要在很小的體積內、在很短的時間 內 散去 多 達幾千瓦的熱量， 以維持電子在正常 環境 溫度下進行工作 ，因此，微電子器件的冷卻散熱問題一直是微電子領域和傳熱領域中共同關 心 的熱點問題 2，是電子設備性能和工作壽命的必要保證。因此需要 研究 更先進的材料進一步提高微電子設備的散熱問題 ，同時減輕設備的重量。 （ 4） 越來越受到廣泛重視的環保領域 中的 工業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，以節約能源 ，也需要 進一步開展強化傳熱的研究。另外，隨著核電站技術的發展，也對散熱提出了 更 嚴格的要求。 總之，無論是從理論的角度還是從工業技術設計的方面看，透徹研究 各種傳熱過程的強化問題，設計 并 制造出高效換熱器，不僅是現代工業發展過程中必須解決的問題，同時也是開展節能和開發新能源的迫切任務 。 因此從二十世紀 60年代發展起來的一種改善傳熱性能的先進科學技術， 就成為 一個十分引人注目的研究領域，它不僅可以推動理論進步，而且可以為工程實際提供更加準確的科學依據，為國民經濟的 快速發展和進步提供動力。 目前強化換熱的措施主要分兩類： （ 1） 被動強化傳熱：不直接使用外界動力 所進行的 強化換熱措施，其優點是不直接消耗外來動力，操作維護方便，故己被廣泛應用 ，主要有以下幾種： 對加熱表面進行處理 改變加熱表面材料的