开孔泡沫金属用于紧凑型热交换器的研究进展

介绍了开孔泡沫金属的结构特点及其强化传热的原理,重点总结了国内外开孔泡沫金属用于紧凑型热交换器换热的研究进展,从阻力特性和传热特性两方面分析了其性能的影响因素;并且提到了泡沫金属模型的研究,指出了今后开孔泡沫金属用于紧凑型热交换器的研究方向。     

开孔泡沫金属换热性能的研究进展

介绍了开孔泡沫金属的结构特点和换热原理,重点从流动特性和传热特性两方面总结了国内外对开孔泡沫金属换热性能的研究进展,并且概述了迄今为止关于泡沫金属传热模型的研究情况,指出了今后开孔泡沫金属用于板式热交换器的研究方向。     

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。     

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。     

基于导热形状因子的泡沫金属导热特性分析

通过理论分析引入用于定向计算泡沫金属等效热导率的导热形状因子（m）,并基于文献报道的大量实验数据对m进行了计算和分析。研究发现,m随泡沫金属材质、孔隙率及孔密度变化呈显著随机波动现象,无固定趋势或规律可循;泡沫金属等效热导率的准确预测需纳入多孔泡沫结构定向形变效应影响。鉴于此,通过直接数值模拟获得了m随孔胞形变参数（即沿泡沫金属宏观传热方向与其垂直方向的胞径比）变化的无量纲准则关联式,进而提出了基于m定向预测泡沫金属等效热导率的新方法。对比文献报道实验数据及基于各向同性结构假设的理论模型预测结果发现,上述方法可提高等效热导率的预测精度（平均偏差为0.77%）。     

圆柱壳开孔接管外压失稳临界压力参数化分析

外压圆柱壳开孔接管是工程中常用结构之一,研究失稳临界压力可为其结构设计提供依据。本文针对4个无量纲参数:筒体外径与有效壁厚的比值、筒体长径比、开孔率及接管与壳体有效厚度比,探究外压圆柱壳开孔接管结构失稳临界压力。运用正交试验设计方法,组合出49组不同参数的模型,采用特征值分析、几何和材料双非线性分析方法得到各分析模型的临界压力,并分析各因素对临界压力的影响。研究结果可为外压圆柱壳开孔接管结构设计提供借鉴。     

酚醛泡沫在高温热处理过程中结构与性能的变化

以甲阶酚醛树脂为原料制备了酚醛泡沫,经高温热处理进而得到酚醛树脂基碳泡沫。通过FTIR、TGA、SEM、压缩强度及热导率检测等手段,分析研究了酚醛泡沫在高温热处理后结构与性能的变化情况。结果表明:氮气保护下,酚醛泡沫经高温处理后形成了以碳元素为主的碳泡沫;与酚醛泡沫相比,碳泡沫的表观密度、泡孔孔径较小,泡孔虽仍以闭孔结构为主,但是开孔结构明显增多;酚醛泡沫及碳泡沫的压缩强度和热导率都随着泡沫密度的增加而增大,另外同酚醛泡沫相比,碳泡沫的压缩强度和热导率均相对较高。     

泡沫混凝土的形成及结构调控技术研究进展

阐述了泡沫混凝土的形成及结构调控理论研究进展。介绍和评述了泡沫混凝土,特别是开孔泡沫的形成理论,泡沫混凝土孔隙大小及分布调控,以及其物理化学性能的调控,并指出了今后的研究方向。     

泡沫混凝土的形成及结构调控技术研究进展

阐述了泡沫混凝土的形成及结构调控理论研究进展。介绍和评述了泡沫混凝土,特别是开孔泡沫的形成理论,泡沫混凝土孔隙大小及分布调控,以及其物理化学性能的调控,并指出了今后的研究方向。     

紧凑式换热器开孔翅片流动传热特性分析

对锯齿翅片和波纹翅片的不同开孔方式建立了多种三维模型,结合数值仿真方法和已有经验公式,分析开孔翅片的流动传热特性,研究翅片开孔的强化传热机理,比较不同开孔方式对流场和温度场的影响,并通过已有的实验拟合公式对仿真结果进行校验。结果表明,对锯齿形翅片,不同开孔参数对流动、散热都有不同的影响。当孔径达到一定范围后,再增加开孔尺寸并不能显著提高换热性能,却仍会导致流动阻力大大增加。对波纹形翅片,不同的开孔位置也会对空气侧流动阻力和传热性能产生显著影响。开孔位于波纹顶峰的翅片比开孔位于波纹腰部的翅片传热性能大约提高1.1%～3.8%,而空气侧压降增加了5.8%～16%。     

Thermal conductivity improvement of phase change materials/graphite foam composites

Effective thermal conductivity of composites of graphite foam infiltrated with phase change materials (PCM) was investigated numerically and experimentally. Graphite foam, as a highly-conductive, highly-porous structure, is an excellent candidate for infiltrating PCM into its pores and forming thermal energy storage composites with improved effective thermal conductivity. For numerical simulation, the graphite structure was modeled as a three-dimensional body-centered cube arrangement of uniform spherical pores, saturated with PCM thus forming a cubic representative elementary volume (REV). Thermal analysis of the developed REV was conducted for unidirectional heat transfer and the total heat flux was determined, which leads to the effective thermal conductivity evaluation. For experimental verification, a sample of graphite foam was infiltrated with PCM. The effective thermal conductivity was evaluated using the direct method of measuring temperature within the sample under fixed heat flux in unidirectional heat transfer. The results indicate a noticeable improvement in the effective thermal conductivity of composites compared to the PCM. Our numerical and experimental results are in agreement and are also consistent with reported experimental results on graphite foam. Moreover, the role of natural convection within the pores is found to be negligible.     

泡沫金属在熔盐相变蓄热中的强化传热特性

搭建了熔盐蓄热特性实验平台,开展相变蓄热过程传热特性实验研究。建立了蓄热容器二维轴对称、瞬态固液相变数学模型,相变过程模拟采用Solidfication & melting模型,相变区域采用Boussinesq近似,对比了纯硝酸盐蓄热工况和填加泡沫金属后蓄热工况数值模拟结果。采用实验与数值模拟相结合的方法,重点分析了泡沫金属对熔盐蓄热过程的强化传热作用。结果表明,填加泡沫金属能够有效提高熔盐换热速率,泡沫金属孔隙率越小强化蓄热效果越显著。泡沫铜的热导率较高,相对于泡沫镍和泡沫铝有更好的强化传热效果,蓄热速率是纯硝酸盐蓄热的1.6倍。在相变蓄热后期自然对流换热占主导地位,此时泡沫金属会抑制自然对流。同时,填加的泡沫金属越靠近容器中心位置,对自然对流抑制作用越强,蓄热性能越差。     

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...     

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。     

泡沫金属内流体流动沸腾热质传递过程的模拟

为了了解泡沫金属内流体流动沸腾热质传递机理,建立了泡沫金属内流体流动沸腾的理论模型。建模中采用Mixture多相流模型,通过引入泡沫金属的渗透率、有效热导率等参数,以体现泡沫金属区别于传统多孔介质的特点;通过在动量方程中增加达西项与惯性力项以体现泡沫金属对两相流动中动量传递的影响;通过增加固体能量方程,并与流体能量方程耦合,以体现泡沫金属内传热过程的热不平衡性。将本文建立的理论模型与已有文献中的数据进行对比,结果表明模型预测值和已有的实验数据吻合较好。     

圆柱状金属泡沫多孔前置体的气动热效应分析

以超声速气流冲击轴线与来流方向相一致的带有金属泡沫多孔前置体的实体圆柱为研究对象,采用连续尺度单区域法数值模拟泡沫多孔前置体内部的流场及气动热效应。多孔域阻力特性基于分布阻力法加入,选用局部非热平衡模型,考虑流体相与固体相的传热温差,并通过Rosseland扩散模型加入固体相的辐射热效应。研究发现,在模拟气流工况下前置有一定长度的柱状泡沫多孔材料可显著降低模型激波阻力和前缘气动热效应,此外相对于气动压缩效应对温度场的影响黏性耗散效应较小。     

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。     

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。