开孔泡沫金属复合材料有效热导率的研究进展

有效热导率是开孔泡沫金属复合材料热传输热性的重要参数,基于三维结构的复杂性,从边界模型和晶胞分析模型两个方面出发,较为全面地概述了有效热导率的研究现状。指出边界模型以均质化方法宏观分析热传导问题而忽略了微观孔结构的影响,重点阐述晶胞分析模型中立方体模型和开尔文模型的经验相关性分析方法,指出其关键点在于以孔隙率形式将多孔结构形状参数拟合成可调参数表达式。此外,3D断层扫描与数值模拟相结合,阐述lattice-Boltzmann方法对开孔泡沫结构的研究,突出真实孔结构对有效热导率的影响和规律。展望后期研究重点是经验相关模型的精确拟合方式及特征关联式的统一化,高精度数值模拟计算中的简化对比分析模型。     

一种计算泡沫金属等效热导率的新模型

提出一种针对泡沫金属等效热导率预测的新模型,该模型基于泡沫金属Kelvin十四面体元胞结构建模,以凹面三棱柱近似金属韧带,并考虑韧带交汇处的结点特点,通过热阻分析得到计算等效热导率的表达式。研究表明:该模型对充填不同介质的不同材质泡沫金属等效热导率均有较高的预测精度(平均偏差均小于10%),与文献其他半经验模型相比能更好兼顾预测精确性和通用性。     

一种计算泡沫金属等效热导率的新模型

提出一种针对泡沫金属等效热导率预测的新模型,该模型基于泡沫金属Kelvin十四面体元胞结构建模,以凹面三棱柱近似金属韧带,并考虑韧带交汇处的结点特点,通过热阻分析得到计算等效热导率的表达式。研究表明：该模型对充填不同介质的不同材质泡沫金属等效热导率均有较高的预测精度（平均偏差均小于10%）,与文献其他半经验模型相比能更好兼顾预测精确性和通用性。     

多孔泡沫介质有效导热系数的研究

在平面热阻模型基础上,考虑多孔介质固、流两相导热系数、孔隙率以及孔隙分布等因素的影响,通过引入倾斜角α,提出了一个预测多孔泡沫介质有效导热系数的数学模型。通过对本文模型的预测结果与国内外有关多孔泡沫介质有效导热系数的实验数据以及其他预测模型的预测结果进行比较,验证了本文所得数学模型的准确性。     

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料,通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象,提取对称结构进行可视化设计,对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程,追踪二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金属后的复合材料的内部温差明显减小,温度分布均匀,蓄热热通量显著增大,有效缩短相变时间并缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

基于分形理论的纳米颗粒多孔介质真空导热特性

采用分形理论,描述了纳米颗粒多孔介质材料的微尺度空间结构,建立了分形等效单元体模型,分析了影响其真空下有效热导率关键因素为固体基质热导率、填充率、分形维数、分形直径、残余气体压力及热导率等,并导出了气相、固相热传导计算公式和热辐射等效热导率计算公式及多孔介质材料总有效热导率计算公式。研究表明,纳米颗粒有效热导率随着分形直径、残余气体压力的增大而增大,并给出了纳米颗粒多孔介质材料作为真空材料的最佳直径。同时,模型计算值与实验测量值比较,具有较好的一致性。该理论分析方法对新型真空绝热材料的研制和绝热性能的提高具有实用价值。     

环戊烷发泡硬质聚氨酯泡沫长期导热系数预测

本文以环戊烷发泡硬质聚氨酯泡沫为研究对象,采用薄片室温老化原理连续测量两种密度样品165天长期导热系数,发现导热系数的升高呈现2个阶段。通过对所得曲线进行函数拟合发现导热系数变化符合对数关系,对数方程求解初步得到25年后50mm制品的导热系数。考虑到制样过程中无法避免样品表面发生开孔,最后对函数计算得到的数据进行修正,修正结果显示两种密度样品的长期导热系数均不超过0.029 W(m•K)-1。     

磁性存储形状金属泡沫可望用于汽车和航天器减重

德国Biose州立大学与西北大学的一个研究团队在国家科学基金资助下,于2008年初宣布,开发了新一类材料：磁性存储形状金属泡沫。该泡沫出镍。锰一镓（Ni—Mn—Ga）合金组成。这种磁性存储形状金属可望用于汽车和航天器减重。     

多孔泡沫金属及其在化工设备中的应用

介绍了多孔泡沫金属的结构特征与力学、热物理、渗透、电学和声学等性能,重点讨论了它在化工生产装置中的应用状况,并对其在研究中存在的问题和应用前景作了评述。     

开孔金属泡沫内气液两相流动的可视化

开孔金属泡沫内流动特性的研究多局限于局部流动特性的分析,大尺寸（100cm²以上）金属泡沫内气液两相宏观流动特性的研究目前较为缺乏。为了深入认识金属泡沫内气液两相流动特性,本文通过光学可视化手段,对金属泡沫多孔介质薄层内的气/液驱替、液/气驱替两相流动过程进行研究,分析了入侵流体的流速及金属泡沫的孔径对泡沫薄层内两相流动的影响。结果表明：在气/液驱替流动方面,随着空气流速的增大,气液两相的界面形态由毛细指状结构过渡到黏性指状结构,随着泡沫孔径的减小,部分排水现象愈加显著;在液/气驱替流动方面,气液界面较为规则,近似呈锥形,且流速越大,界面锥角越大、长度越小,试验中仅在最小孔径的金属泡沫中捕捉到明显的部分驱替现象,并且随着水流速的减小愈加显著。     

纳米流体有效热导率预测

纳米流体热导率实验表明了纳米流体具有不同于常规流体的导热特性。从颗粒小尺寸效应、布朗运动引起的微对流、固液吸附微界面和颗粒聚集结构上分析了纳米流体导热机理,并推导了适合纳米流体的热导率预测公式。与实验结果对比分析,该预测公式与实测值较为接近,对预测纳米流体的热导率有一定的参考价值。     

三类随机分形结构下干土壤有效热导率的介观研究

地埋管换热器的换热能力是设计地源热泵系统的关键,而环境土壤的有效热导率是影响地下传热量的重要参数。为探究土壤的介观结构参数对有效热导率的影响,提出三类随机分形结构,并结合格子玻尔兹曼方法,对土壤类多孔材料的传热特性进行了基础研究。通过对热探针实验结果和三类重构结构下模拟结果的对比分析,发现孔隙率仍然是影响干土壤有效热导率的主要因素,分形维度数和粒径比的影响则较小;干土壤介观结构的随机性对有效热导率有较大的影响,随机颗粒分布的微小变化会导致差异高达到24.5%。     

环路热管中Ti64ELI毛细芯传热能力的实验研究

在环路热管（LHP）中,蒸发段的结构最为复杂,而其中的毛细芯是直接影响热管工作性能的部分,因此有很大的研究价值。为模拟LHP中毛细芯的真实运行情况,设计了一台在常温下测定毛细芯工作时表面温度的实验装置,对环路热管蒸发段毛细芯的传热能力进行独立的实验研究,分别采用乙醇和水为工质,在不同的加热功率下,计算毛细芯的有效热导率。研究发现,在低加热功率下,含乙醇的毛细芯的有效热导率要高于含水的毛细芯的有效热导率;而在高加热功率下,实验结果正好相反。本次实验的结论对于毛细芯传热性能的评估具有一定参考价值,也可以为LHP蒸发器的模拟仿真提供一定的实验数据。     

孔隙随机结构对非均质多孔泡沫导热性能的影响

多孔泡沫是一类低密度、高比表面积、具有独特性能的新型功能材料。实际多孔泡沫材料通常是非均质的,即其孔隙结构分布是随机的。为研究非均质多孔泡沫材料的导热性能,提出用孔隙均匀度作为表征孔隙结构分布随机性的参数,以多孔石墨泡沫为例,分析孔隙均匀度对多孔泡沫有效热导率的影响。数值计算结果表明：孔隙结构分布越不均匀,多孔泡沫材料的导热性能越差。根据计算结果提出了非均质石墨泡沫相对有效热导率的预测式,并与现有文献报道的结果进行了比较,发现当前结果呈现了孔隙结构随机性对材料有效热导率的影响,与ORNL实验结果更吻合。     

堆积石英砂导热性能研究

本文采用石英砂颗粒模拟堆积型多孔介质模型,利用DRS-Ⅲ高温导热系数测试仪测量不同温度不同颗粒目数下的石英砂当量导热系数,并利用压汞法对石英砂孔隙体积进行测量,为研究导热和辐射对石英砂当量导热系数的影响提供分析依据.实验结果表明:随温度升高热辐射对石英砂颗粒的当量导热系数的影响逐渐增大,并在高温下起主导作用.在100～600℃之间,(60 ～80)目的石英砂颗粒当量导热系数最大,(100 ～ 120)目次之,(20～30)目的最小,这说明了合理的孔径和孔隙体积分布致使(60 ～80)目导热性能具有优越性.     

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。     

单相流体通过多孔金属换热器换热性能的理论分析

泡沫金属具有非常大的比表面积和良好的导热性能,在强迫对流情况下,具有很强的换热能力.通过建立泡沫金属在强迫对流的情况下的换热模型,得到了泡沫金属高度、孔密度、孔隙率和空气流速的变化对其换热性能的影响.分析结果显示:增大泡沫金属换热器的高度、孔密度、空气流速和减小孔隙率,都能提高换热器的换热性能;当这4个参数各自变化到一...     

基于CT显微图像的烧结矿孔隙特征分析及有效热导率预测

全面了解获取多孔烧结矿的热物理特性对于在钢铁企业中相关过程的运行优化和节能减排具有重要意义。在此前景下,无损的高精度X射线显微断层扫描技术被应用到表征烧结矿的孔隙结构并结合数值模拟来预测烧结矿的有效热导率。以40 μm的分辨率扫描了3个熟石灰添加水平下的烧结杯试验中获取的烧结矿样品。三维重建后的烧结矿可观测到各向异性的非常复杂的孔隙分布,导致其有效热导率也各向差异较大,形成复杂的内部温度场分布。烧结矿中0～300 μm的小孔隙在数量频率上占据大多数（约45%～50%）,但仅占小部分的大于1 mm的大孔隙则贡献了约95%的孔隙体积占比,并主要决定了烧结矿的导热行为。3个烧结矿样品的有效热导率分别为0.645、0.682和0.784 W·m^-1·K^-1,对应的孔隙率分别为53.8%、53.1%和49.7%。通过与文献中的类似铁系聚合物的导热值,典型的经验式预测方程和结构分析模型等比较,证明了CT三维重建结合数值模拟的技术手段可有效捕捉烧结矿真实的多孔结构,从而比简单的经验式方程或结构分析模型能获取更精确的热物理行为的预测效果。