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。     

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。     

间断等温边界下多孔介质方腔内非热平衡自然对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔两侧壁面布置间断式等温边界,采用SIMPLER算法数值研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,探讨了6种等温边界布置方案、孔隙率ε及Da数对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:在左右对称的等温边界条件下,多孔介质方腔内的流场、温度场分布出现了左右对称分布特性。孔隙率ε及Da数的增加有利于提高多孔介质方腔的整体传热量,当Da数小于10-5时,传热量Q值随Da数变化不大,且不同等温边界布置方案的Q值差别不大。随着Da数的增大,多孔介质方腔内的热对流逐渐得到发展,此时不同传热方案的Q值出现了显著的差异,并随着Da数的增大而增加。     

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。     

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。     

考虑局部非热平衡的流体层流横掠多孔介质中恒热流平板的传热分析

对流体层流横掠多孔介质中恒热流加热的平板,应用Brinkman-Forchheime-extended Darcy流动模型和流体与多孔介质之间局部非热平衡理论建立守恒方程组,应用数量级分析和积分法,得出了速度边界层厚度、热边界层厚度、壁面黏性摩擦系数和对流传热系数、流体与多孔介质之间局部温差的计算公式。结果表明,速度边界层与光板时明显不同,其在平板前端迅速增长,之后越来越平坦,趋于一个恒定值;而热边界层则沿着流动方向不断增长,类似于光板时的情况;局部的表面对流传热系数在平板前端达最大值,之后逐渐减小,也类似于光板时的情况;多孔介质与流体间的局部温差在平板前端达最大值,之后呈现沿着流动方向逐渐减小的变化趋势。     

侧壁不连续边界下多孔介质自然对流数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面布置不连续等温边界条件,数值模拟了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流传热,探讨了不同等温边界布置方案及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流传热的影响规律。计算结果表明:由于单向重力影响,多孔介质方腔内流函数结构呈现上下不对称特性,而固体相温度场分布呈现出上下对称分布规律;流体相局部Nu数的大小及分布规律与等温边界的位置相关,局部Nu数随着Y=0.5值的增大而增加,固体相局部Nu数则以Y=0.5处为中心呈现上下对称分布规律。存在一个最佳ξ值及高宽比值,使得多孔介质方腔内的整体向外传热量达到最大值,等温边界布置于方腔上侧更有利于强化方腔整体的自然对流传热。     

基于六面体模型的开孔泡沫金属强化传热机理

由于在结构和强化传热方面的优越性,开孔泡沫金属在热交换方面具有广泛的应用前景。基于一种简化的六面体结构模型,采用商用软件FLUENT14.0模拟分析了三维矩形通道内泡沫金属流场分布情况,探讨了其强化传热机理。研究结果表明:流体流经泡沫金属时,其速度、温度、压力均呈周期性变化。流体在泡沫金属内速度不断增加,在骨架前部流速突然降低,雷诺数增加,流速跳跃的振幅增大;高温流体流进泡沫金属时,温度先缓慢地升高,在流经泡沫金属骨架后迅速下降,雷诺数越大,流体的温度越高,靠近骨架壁面的温度也越高;流体流经骨架时,压力骤降且在骨架后部形成涡流;其换热能力和压降随着孔密度的增大而增大,随着孔隙率的增大而减小。     

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。     

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。     

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...     

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…     

泡沫金属结构对排水性能的影响

泡沫金属具有超大比表面积,应用在除湿领域有很大潜力;保证泡沫金属表面冷凝液滴的及时排出是开发泡沫金属除湿换热器的关键,因此必须明确泡沫金属的排水性能。通过动态浸入实验,研究了3种不同润湿性下泡沫金属结构特性对排水性能的影响。研究结果表明：泡沫金属的孔密度越大,孔隙率越低,重力方向高度越大,排水性越差;疏水改性下5~40PPI泡沫金属的排水性能增强,残余水量减少26%~60%;亲水改性下5~10PPI泡沫金属的排水性能增强,残余水量最多降低23%,但15~40PPI泡沫金属的排水性能减弱,残余水量最多增大13%。     

R1234ze(E)在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性

泡沫金属具有超大比表面积和高热导率,将其填充于换热管内可用于制冷空调系统的强化传热。研究了R1234ze(E) 在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性。实验工况为：干度0.1~0.9,质流密度90~180 kg·m^-2?s^-1,热通量12.4~18.6 kW·m^-2。测试样件为泡沫铜填充管,孔密度为10~40 PPI、孔隙率为90%~95%。实验结果表明,R1234ze(E) 比R410A的传热系数低2%~10%,两相压降低30%~42%;当干度大于0.8时,低质流密度下泡沫金属管内传热系数随干度的增加增幅更大;泡沫金属在强化流动沸腾换热的同时,造成压降显著增加,换热影响因子的范围为1.23~2.90,压降影响因子的范围为6~45。开发了适用于R1234ze(E) 的泡沫金属管内流动沸腾换热和压降关联式,传热系数和两相压降的预测值与95%的实验值误差分别在±15%和±25%以内。     

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。