【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的實際需要,人類認識的焦點已經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骨架結構,具有高空隙率、高導熱系數(shù)等特點。目前泡沫金屬強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驗觀測,通過實驗數(shù)據(jù)、高速攝像儀拍攝,獲得理論計算公式及氣泡運動行為。然而,由于泡沫金屬的結構復雜,填充泡沫金屬小管道內氣液相變強化換熱機理以及管內氣泡動力學行為研究尚不明晰。本論文以現(xiàn)有泡沫金屬強化沸騰換熱研究為基礎,結合泡沫金屬孔隙結構特點,分析填充泡沫金屬小通道沸騰換熱機理,研究并統(tǒng)計沸騰過程產生的氣泡動力學行為,指出管內渦流、湍動能同傳熱性能之間的關系。具體研究內容包括:(1)建立了填充泡沫金屬小通道數(shù)值模型。應用正十四面體單元晶格疊加排列獲得泡沫金屬結構,取中央二維截面進行模擬計算,并對模型進行網格無關性驗證。結合實驗驗證,該模型的沸騰換熱系數(shù)與實驗結果具有較好的一致性,誤差控制在±20%以內。(2)運用Fluent軟件對常規(guī)空管與填充泡沫金屬小通道內R141b氣液兩相流流動沸騰過程進行數(shù)值模擬。利用CLSVOF(Couple Level-Set and Volume of Fluid)多相流模型,結合Lee相變模型編制自定義函數(shù)(UDF)模擬傳熱傳質過程。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、不同時間下兩種不同管道內的沸騰換熱現(xiàn)象,統(tǒng)計不同時刻下的氣泡數(shù)量及氣泡平均面積,分析氣泡動力學、渦流與湍動能對強化傳熱的影響。研究結果表明,常規(guī)空管內氣泡運動范圍廣,產生面積大、數(shù)量小的渦流;而泡沫金屬孔隙間氣泡運動范圍變窄,分布集中,產生面積小、數(shù)量多的渦流,增加流體混合頻率,加強冷熱流體間熱交換,因此能加大管內換熱系數(shù)。隨著溫度的升高,填充泡沫金屬管道內氣泡數(shù)量逐漸增多,而常規(guī)空管內氣泡數(shù)量先增加后減少;隨著速度的增大,填充泡沫金屬管道內氣泡數(shù)量逐漸增多,常規(guī)空管內氣泡數(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)湍動能隨時間的變化是衡量渦流生長或衰弱的指標,本文比較了湍動能隨時間變化的一階微分k’與換熱系數(shù)之間的關系,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,可以用以預測填充泡沫金屬通道的換熱系數(shù)的變化趨勢。
【學位授予單位】：東北電力大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：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)相組合形成的復合材料，由巨大的比表面積、內部復雜的三維流動，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；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）所排列構建的泡沫金屬結構，用以模擬流體在其中的移動過程；如圖 2-2 b由 H 型骨架和 V 型骨架交叉構建及 H 型骨架和 O 型骨架組合構建的的；在此基礎上學者們還提出 H 型、V 型、O 型骨架構建的泡沫金屬骨架這些模型可以有效反應泡沫金屬顆粒分布、滲透率、孔隙形狀等特點單理想化，與實際存在較大偏差，模擬出來的結果價值有限。a）水平骨架模型[69]b）H 型、V 型骨架交叉模型[23]

東北電力大學工程碩士學位論文有效模擬填充泡沫金屬通道的內部流場，如圖 2-3 c）和 2-3 d）為兩種不同結構的正面體。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;;多孔泡沫金屬內氣泡動力學行為的格子波爾茲曼方法模擬[J];東南大學學報(自然科學版);2015年04期

2 劉旭輝;;多孔泡沫金屬的磁性能及對磁場影響的實驗研究[J];鑄造技術;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列管束的對流傳熱[J];化工學報;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用進展[J];鑄造技術;2010年12期

5 付全榮;張銥

本文編號：2802010