【摘要】：隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展、工藝制造水平的提高和生產(chǎn)的實(shí)際需要,人類認(rèn)識(shí)的焦點(diǎn)已經(jīng)從宏觀尺寸過渡到介觀、微觀層面。泡沫金屬因其特有的多孔介質(zhì)骨架結(jié)構(gòu),具有高空隙率、高導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)。目前泡沫金屬強(qiáng)化沸騰換熱研究主要集中在池沸騰以及小尺度通道沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)觀測,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、高速攝像儀拍攝,獲得理論計(jì)算公式及氣泡運(yùn)動(dòng)行為。然而,由于泡沫金屬的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,填充泡沫金屬小管道內(nèi)氣液相變強(qiáng)化換熱機(jī)理以及管內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)行為研究尚不明晰。本論文以現(xiàn)有泡沫金屬強(qiáng)化沸騰換熱研究為基礎(chǔ),結(jié)合泡沫金屬孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析填充泡沫金屬小通道沸騰換熱機(jī)理,研究并統(tǒng)計(jì)沸騰過程產(chǎn)生的氣泡動(dòng)力學(xué)行為,指出管內(nèi)渦流、湍動(dòng)能同傳熱性能之間的關(guān)系。具體研究內(nèi)容包括:(1)建立了填充泡沫金屬小通道數(shù)值模型。應(yīng)用正十四面體單元晶格疊加排列獲得泡沫金屬結(jié)構(gòu),取中央二維截面進(jìn)行模擬計(jì)算,并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該模型的沸騰換熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性,誤差控制在±20%以內(nèi)。(2)運(yùn)用Fluent軟件對(duì)常規(guī)空管與填充泡沫金屬小通道內(nèi)R141b氣液兩相流流動(dòng)沸騰過程進(jìn)行數(shù)值模擬。利用CLSVOF(Couple Level-Set and Volume of Fluid)多相流模型,結(jié)合Lee相變模型編制自定義函數(shù)(UDF)模擬傳熱傳質(zhì)過程。模擬壁面加熱溫度范圍為350K-450K,流體速度為0.01m/s-0.10m/s。(3)觀察不同條件、不同時(shí)間下兩種不同管道內(nèi)的沸騰換熱現(xiàn)象,統(tǒng)計(jì)不同時(shí)刻下的氣泡數(shù)量及氣泡平均面積,分析氣泡動(dòng)力學(xué)、渦流與湍動(dòng)能對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響。研究結(jié)果表明,常規(guī)空管內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)范圍廣,產(chǎn)生面積大、數(shù)量小的渦流;而泡沫金屬孔隙間氣泡運(yùn)動(dòng)范圍變窄,分布集中,產(chǎn)生面積小、數(shù)量多的渦流,增加流體混合頻率,加強(qiáng)冷熱流體間熱交換,因此能加大管內(nèi)換熱系數(shù)。隨著溫度的升高,填充泡沫金屬管道內(nèi)氣泡數(shù)量逐漸增多,而常規(guī)空管內(nèi)氣泡數(shù)量先增加后減少;隨著速度的增大,填充泡沫金屬管道內(nèi)氣泡數(shù)量逐漸增多,常規(guī)空管內(nèi)氣泡數(shù)量先增多后變化趨勢不明顯。填充泡沫金屬小通道內(nèi)換熱系數(shù)與氣泡平均面積呈反比,與氣泡數(shù)量呈正比。依據(jù)湍動(dòng)能隨時(shí)間的變化是衡量渦流生長或衰弱的指標(biāo),本文比較了湍動(dòng)能隨時(shí)間變化的一階微分k’與換熱系數(shù)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)k’曲線與填充泡沫金屬通道的換熱系數(shù)協(xié)同變化,可以用以預(yù)測填充泡沫金屬通道的換熱系數(shù)的變化趨勢。
【學(xué)位授予單位】：東北電力大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK124
【圖文】：

泡沫金屬是由金屬基體骨架連續(xù)相和氣孔分散相或連續(xù)相組合形成的復(fù)合材料，由巨大的比表面積、內(nèi)部復(fù)雜的三維流動(dòng)，使泡沫金屬材料具有很好的傳熱性能。根據(jù)的連通狀態(tài)，可以分為開孔泡沫金屬和閉孔泡沫金屬，如圖 2-1 所示。開孔泡沫金屬孔隙之間相互連通，流體可從孔隙中滲透流動(dòng)；而閉孔泡沫金屬孔隙之間互不連通，無法通過。

幾何體交織模型包含水平骨架模型、交叉骨架模型等。如圖 2-2 a）所排列構(gòu)建的泡沫金屬結(jié)構(gòu)，用以模擬流體在其中的移動(dòng)過程；如圖 2-2 b由 H 型骨架和 V 型骨架交叉構(gòu)建及 H 型骨架和 O 型骨架組合構(gòu)建的的；在此基礎(chǔ)上學(xué)者們還提出 H 型、V 型、O 型骨架構(gòu)建的泡沫金屬骨架這些模型可以有效反應(yīng)泡沫金屬顆粒分布、滲透率、孔隙形狀等特點(diǎn)單理想化，與實(shí)際存在較大偏差，模擬出來的結(jié)果價(jià)值有限。a）水平骨架模型[69]b）H 型、V 型骨架交叉模型[23]

東北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文有效模擬填充泡沫金屬通道的內(nèi)部流場，如圖 2-3 c）和 2-3 d）為兩種不同結(jié)構(gòu)的正面體。但由于在數(shù)值建模過程中，多采用正十四面體均勻排列模式，所以與實(shí)際泡沫還存在一定差異。a）Hu 正六面體模型[71]b）Alexis 正六面體模型[72]

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1 施娟;陳振乾;馬強(qiáng);;多孔泡沫金屬內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的格子波爾茲曼方法模擬[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年04期

2 劉旭輝;;多孔泡沫金屬的磁性能及對(duì)磁場影響的實(shí)驗(yàn)研究[J];鑄造技術(shù);2011年06期

3 李菊香;涂善東;;空氣橫掠沉沒于多孔泡沫金屬中錯(cuò)列管束的對(duì)流傳熱[J];化工學(xué)報(bào);2011年12期

4 張銘顯;陳樂平;周全;;發(fā)泡劑在多孔泡沫金屬中的應(yīng)用進(jìn)展[J];鑄造技術(shù);2010年12期

5 付全榮;張銥

本文編號(hào)：2802010