板-泡式换热器传热及阻力特性数值模拟

开孔泡沫金属由于其复杂的三维网状结构,当流体通过时会发生非线性扰动,湍流程度增强,使得泡沫金属和流体之间发生强迫对流换热,基于开孔泡沫金属能强化传热的特性开发了高效紧凑的板-泡式换热器。利用FLUENT多孔介质模型对板-泡式换热器的传热及阻力特性进行数值模拟。研究结果表明:在导热隔板间填充铝泡沫金属,换热器的传热效率明显提高;在相同速度下,换热效率随孔隙率的增大而减小;努塞尔数随着流道高度的增加而增大,且随着雷诺数的增大,其影响越来越明显。同时以数值计算结果为基础,拟合得到400Re4 000范围内努塞尔数以及阻力系数准则关系式。研究结果可为板-泡式换热器的结构优化和设计制造紧凑换热设备提供参考。     

立式花瓣管外空气螺旋流动传热及流阻性能研究

螺旋隔板花瓣管换热器具有优异的换热性能,但由于目前基础数据不足,螺旋隔板花瓣管换热器的应用还未能普及,研究花瓣管几何结构参数对换热过程的影响规律及传热机理,可为该类型换热器提供设计依据.今在实验中通过采用空气在缠绕金属螺旋片的换热管外套管环隙中的换热来模拟螺旋隔板换热器的换热过程,研究了空气在缠绕螺旋片的立式光滑管和不同翅片高度与间距的立式花瓣管外螺旋流动的传热与流阻性能,分析了花瓣管翅片高度和间距等主要几何结构参数以及管外空气流速对传热与流阻性能的影响.实验结果表明:翅片高1.5mm、间距1.0mm的花瓣管具有最佳的传热性能,花瓣管外空气对流换热系数是光滑管的1.48～3.24倍;在实验范围内,随着空气流速的增加,花瓣管外空气对流换热系数与流动阻力也相应增加,但综合换热性能下降并在空气流速为36.0～42.2m·s-1时达到最低值.     

泡沫金属结构内流体流动与传热性能数值模拟

基于开孔泡沫金属的微观结构分析,文中提出了一种简化的六面体结构模型,并采用商用软件FLUENT14.0模拟分析了三维矩形通道内泡沫金属与空气的对流换热情况,进一步分析了结构参数对泡沫金属内部流动与换热特性的影响关系。研究结果表明:通过与Alvarez实验结果的对比,分析验证了文中提出的简化模型是可行、准确的;传热因子j和摩擦因子f随着雷诺数和孔隙率的增大而减小,随着孔密度的增大而增大;相对而言,大孔径的泡沫金属的对流换热综合性能较好。     

多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流传热的积分解

应用边界层理论和局部热平衡传热模型,建立控制方程组,理论分析了多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流的传热特性。采用数量级分析法简化控制方程组,再进行积分求解。结果表明：多孔泡沫金属对自然对流具有强烈的扰动作用,使边界层发展很快,其厚度远大于光壁面时的边界层厚度,在等温竖壁面条件下本文所选的参数范围内(孔隙率0.9～0.95,孔密度5～40PPI),孔隙率越大、PPI越大,边界层也越厚;空气流速很快达到最大值,且此后的速度峰值几乎维持不变;自然对流传热的强化效果非常明显,相比光壁面,加入孔隙率0.9、孔密度5 PPI的多孔泡沫铝后其强化倍数达9以上,但孔隙率、孔密度增大时,流体边界层厚度增长过快,会使得传热恶化。     

多孔泡沫金属强化池沸腾换热的研究进展

综述了近年来多孔泡沫金属强化池沸腾换热的实验研究,从多孔泡沫金属的材料、厚度、孔密度、孔隙率及泡沫金属复合槽道对强化传热性能的影响进行总结,并对多孔泡沫金属强化沸腾换热的研究方向进行展望。     

泡沫铜孔隙率和孔密度对流动与沸腾换热特性的影响

以去离子水作为工质，设计并搭建了以泡沫铜为研究对象的单相和两相换热实验系统。对于单相流动换热，当Re数较小时，孔隙率80%、孔密度90PPI的泡沫铜样品换热性能最好；当Re数较大时，孔隙率80%、孔密度45PPI的泡沫铜样品换热性能最好。泡沫铜最大换热系数为空通道的6倍，但同时需付出更大的泵功损耗为代价。对于两相流沸腾换热，低孔隙率样品70%~80%能有效地降低壁面过热度和强化沸腾换热性能。孔隙率对沸腾换热性能起决定性作用，孔隙率越低，沸腾换热系数越大；孔密度对沸腾换热性能起次要作用。90PPI泡沫铜样品，因其成核址密度高和毛细力较大，有助于提升泡沫铜的沸腾换热性能。     

流体在超轻多孔金属泡沫中的流动和换热特性

以去离子水为冷却液,对其在超轻多孔铜泡沫中的流动和换热特性进行了实验研究。在测定和分析流量、压力降和温度等实验参数的基础上,获取了热流密度、金属泡沫孔密度、液体流量等参数对层流流体流过金属泡沫时的压力降、通道壁面温度、对流换热等特性的影响。结果表明金属泡沫会显著强化对流换热,大大降低通道的壁面温度,其对流换热能力会随Reynolds数的增大而逐渐增强,最大Nusselt数可达空矩形通道的13倍,但与空通道相比,金属泡沫通道的压力降显著增大,并随Reynolds数及金属泡沫孔密度的增大而增大。     

亲疏水性对泡沫金属池沸腾换热特性的影响

随着航空飞机和航天器不断向高性能发展,热控制系统的紧凑性和散热效率亟需提高。泡沫金属具有超大的比表面积和高热导率,在航空航天热控制领域具有良好的应用前景。对亲水性和疏水改性泡沫金属内的池沸腾换热特性进行了试验研究,并与未改性泡沫金属进行对比,得出了亲疏水性对不同孔密度和孔隙率泡沫金属池沸腾换热特性的影响规律。测试样件为泡沫铜,孔密度为5、20和40 PPI,孔隙率为85%和95%。结果表明,疏水改性可使泡沫金属内池沸腾的起始过热度降低20%～30%;疏水改性泡沫金属和亲水改性泡沫金属分别在低热通量（q<4×10⁵ W/m²）和高热通量（q≥4×10⁵ W/m²）条件下具有最佳的沸腾换热性能;表面改性对于低孔隙率泡沫金属内池沸腾强化换热效果更加显著,且亲水改性的强化效果优于疏水改性。     

泡沫金属复合PCM微结构传热储热过程模拟

以石蜡作为相变材料（PCM）,采用六面通圆孔三维结构模型,对泡沫金属复合PCM内相变熔化过程进行了数值模拟。研究了不同材料（Cu、Al、Ni、Fe）泡沫金属孔密度和孔隙率对复合PCM传热和储热性能的影响。结果表明,泡沫金属复合PCM传热过程受热传导和自然对流作用综合影响;随孔密度增加,复合PCM完全熔化时间缩短幅度逐渐减小,且泡沫金属热导率越高,孔密度对传热速率影响越大;泡沫金属复合PCM内存在非热平衡现象,孔密度和孔隙率增加均可减小最大平均温差,但对最终平衡时间的影响却截然不同;此外,泡沫金属复合PCM单位质量储热密度随孔隙率增大而增大,相比泡沫Cu、Ni、Fe复合PCM,泡沫Al复合PCM的单位质量储热密度较大,增加速率也较大。     

孔密度对泡沫金属内湿空气的换热与压降特性影响分析

通过实验研究,得到不同孔密度的泡沫金属内湿空气的换热和压降特性,并对泡沫金属换热器综合性能进行了分析。测试样件为泡沫铜,孔密度为5~40PPI(pores per inch),孔隙率为95%。研究结果表明,由于凝结水的存在,泡沫金属内的湿空气传热系数随着孔密度的增大先增大后减小,孔密度为15PPI时达到最大值;压降随着孔密度的增大而增大,且大于20 PPI时压降增大更明显。综合考虑传热系数与压降因素,泡沫金属孔密度为15PPI时综合性能最佳。     

空气横掠沉没于多孔泡沫金属中错列管束的对流传热

对空气横掠沉没于多孔泡沫金属中正三角错列传热管束的对流传热进行了试验研究。结果显示,多孔泡沫金属使得流体的流动阻力明显增加,但阻力增加的倍数随Reynolds数的增大而减小;多孔泡沫金属对对流传热具有明显的强化作用,强化效果随Re的增大而减小。与横掠错列光管束相比,本试验范围内,流动阻力增加的最大倍数为12.727,最小倍数为10.109;对流传热的最大强化倍数为2.78,最小强化倍数为2.08。总结出了适合于试验范围的对流传热的气流量纲1阻力系数的表达式和传热计算关联式。综合强化对流传热及增加流动压降两方面可知,多孔泡沫金属较适合于流体较小流速的场合。     

孔隙分布对分形泡沫金属基相变材料传热特性的影响

基于分形理论,采用Sierpinski分形结构来模拟分形泡沫金属的孔隙结构。以泡沫金属为基体,孔隙中填充相变材料,通过数值计算比较了相同孔隙率和分形维数但不同孔隙结构分布规律的泡沫金属基相变材料在恒热流边界条件下的传热特性差异,得到了在传热过程中相变材料的相变率随时间变化及其相场分布情况云图。结果表明：当泡沫金属存在开口孔且所在位置处于热流边界时,孔隙中相变材料的传热速率明显大于不存在任何孔隙处于热流边界的情况;当泡沫金属不存在孔隙处于热流边界时,随着泡沫金属比表面积的增大,孔隙中相变材料传热速率增大;且分形体的分形级数越高,孔隙分布规律对其传热性能的影响程度越大。     

基于泡沫金属的复合毛细芯的物性测试

为改进毛细芯的传热传质性能，以泡沫金属铜或镍为骨架，在其内部填充树形金属铜粉或镍粉，通过树形金属粉末调控泡沫金属内的孔隙结构及孔径分布，制备出一种以金属泡沫为基底的复合毛细芯，并对制备的复合毛细芯的孔隙率、抽吸性能、有效热导率及蒸发率进行研究。结果表明，这种结构的复合毛细芯孔隙率较高，有效热导率为4.1?9.8 W/(m?K)。从毛细芯毛细抽吸、有效热导率和蒸发率综合来看，以金属泡沫镍为骨架、树形镍粉末与造孔剂质量比为5:5的复合毛细芯性能最好。     

填充泡沫铜圆管内R32单相流动换热

在泡沫金属纤维两端布置电极,采用电加热方法,实验测量了填充泡沫金属的管内R32流体和泡沫金属纤维的温度分布,得到了泡沫纤维与流体之间的对流传热系数。实验条件为：实验段管径5 mm,泡沫铜孔隙率0.95,孔隙密度15、45 PPI,流体温度280~325 K,热通量1~18 kW·m^-2,质量流速20~200 kg·m^-2·s^-1。实验及模拟结果表明：泡沫纤维与单相R32的对流传热系数随Re、泡沫铜的孔隙密度的增大而增大。基于流体外掠光滑圆管换热实验数据的Zukauskas经验关联式的预测值与泡沫金属纤维和R32流体之间的对流传热系数的实测值偏差为-35%~-67%,即该关联式不适用于泡沫金属纤维与流体之间的对流传热系数的预测。     

多孔铝内体积对流传热系数的测量

引　言多孔铝 (合金 )作为一种高孔隙率 (孔隙率 >0 9)多孔介质 ,具有明显的多功能性[1] .通孔型多孔铝是指多孔铝的内部孔隙互相连通 ,且外部流体可以通过 ,具有比表面积大、质量轻的特点 ,是开发强化换热装置的优选材料 ,有可能在新型紧凑式换热器、回热器、风冷冷凝器 (或冷却塔 )等换热设备研制过程中获得应用 .但流体流经多孔铝的　对流换热特性实验数据比较缺乏 ,对各种影响因素的研究也欠充分 .Hwang等[2 ] 测量了空气流经70 %、 80 %、 95 %三种孔隙率多孔铝的体积对流传热系数 ,但缺乏对孔隙密度、母材性质等影响的研究 .何德坪…     

新型金属泡沫-微柱群复合热沉内流动传热性能分析

高效热管理技术是大功率微电子设备安全运行的可靠保障。为进一步强化高功率电子器件的冷却效果,本文提出了一种新型泡沫铝-微柱群复合热沉结构。采用实验和数值模拟相结合的方法对新型水冷泡沫铝-微柱群复合热沉内的流场分布、壁面温度分布、阻力系数、换热性能及柱鳍与泡沫铝间的耦合传热规律等开展了深入分析。研究结果表明,与传统微柱群热沉相比,20PPI泡沫铝-微柱群复合热沉的壁面最高温度大幅降低,平均换热性能提升了33.9%~41.5%。然而,微柱群内填充泡沫铝却导致流动阻力增大,增加了7.9~10.5倍。泡沫铝-微柱群复合热沉的强化换热机理为：微柱群热沉内填充高热导率泡沫铝提升了热沉整体的有效导热性能,热量可通过金属泡沫固体骨架迅速传递,同时多孔界面较强的传热能力能够保证热量及时被冷却流体散除。本文相关研究成果可为高热流密度电子器件散热装置的研发提供理论指导。