本文關(guān)鍵詞：泡沫金屬強(qiáng)化沸騰傳熱過程的研究

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【摘要】：泡沫金屬由于其特有的微觀骨架結(jié)構(gòu),具有高孔隙率、高導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn),在航天航空、高效電子冷卻、建筑節(jié)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于泡沫金屬的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,泡沫金屬內(nèi)氣液相變強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究尚不清晰。目前泡沫金屬強(qiáng)化沸騰傳熱的研究主要在宏觀層面展開,以實(shí)驗(yàn)研究為主,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,獲得經(jīng)驗(yàn)理論計(jì)算公式。然而泡沫金屬強(qiáng)化沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)研究還不夠充分,同時(shí)泡沫金屬微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)氣液兩相流動(dòng)和換熱過程的影響尚未闡明。本論文針對(duì)現(xiàn)有泡沫金屬強(qiáng)化沸騰換熱研究的不足,結(jié)合泡沫金屬的孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在充分分析沸騰相變換熱物理機(jī)制的基礎(chǔ)上,對(duì)泡沫金屬強(qiáng)化沸騰換熱過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體的研究?jī)?nèi)容包括：1.多孔介質(zhì)內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)特性的LBM方法模擬研究。將泡沫金屬視為多孔介質(zhì),基于泡沫金屬的骨架結(jié)構(gòu),建立了多孔介質(zhì)內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的物理模型,利用lattice Boltzmann method (LBM)方法模擬等溫條件下孔隙尺度內(nèi)的氣-液兩相流動(dòng)�？紤]多孔介質(zhì)內(nèi)流體間以及流固間的相互作用力,采用多組分單松弛的Shan-Chen模型,模擬氣泡在孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。基于該模型,分析多孔介質(zhì)對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響,探索氣泡直徑、多孔介質(zhì)骨架間距以及多孔介質(zhì)骨架布置方式對(duì)氣泡上升速度的影響,研究流場(chǎng)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)特性的影響。在研究單個(gè)氣泡運(yùn)動(dòng)特性及其運(yùn)動(dòng)過程的基礎(chǔ)上,考慮氣泡之間和氣泡與流體之間的相互作用力,研究多個(gè)氣泡運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡、聚并行為等動(dòng)力學(xué)行為。研究結(jié)果表明,由于多孔介質(zhì)的存在,在靠近多孔介質(zhì)的地方,兩相流流場(chǎng)發(fā)生了改變,流線發(fā)生彎曲,從而改變氣泡運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)形態(tài)：合理配置多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以加快氣泡的運(yùn)動(dòng)速度,從而強(qiáng)化氣液兩相流動(dòng)與換熱過程。研究結(jié)果有助于深入認(rèn)識(shí)泡沫金屬強(qiáng)化沸騰換熱過程。2.含有泡沫金屬的加熱表面過冷池沸騰相變換熱試驗(yàn)研究。在綜述國(guó)內(nèi)外池狀沸騰試驗(yàn)裝置現(xiàn)狀并結(jié)合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并搭建一套用于測(cè)定泡沫金屬強(qiáng)化池狀沸騰傳熱性能的試驗(yàn)裝置,研究含有泡沫金屬的加熱表面過冷池沸騰相變換熱特性,揭示加熱表面相變換熱性能的作用機(jī)理和影響因素,如泡沫金屬pores per inch (PPI)值、熱流密度、加熱面傾角等。重點(diǎn)探索基于孔隙尺度的可視化試驗(yàn)研究方法,揭示了微觀孔隙結(jié)構(gòu)下池沸騰換熱過程中氣泡在泡沫金屬孔隙內(nèi)的動(dòng)力學(xué)行為,如氣泡生長(zhǎng)、氣液界面動(dòng)態(tài)變化、氣泡融合等現(xiàn)象。研究結(jié)果表明,多孔金屬結(jié)構(gòu)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)過程和形態(tài)變化具有重要影響。當(dāng)泡沫金屬PPI值增大時(shí),其孔隙數(shù)目增多,孔隙直徑減小,換熱面積增大,沸騰氣泡核心增多,但是泡沫金屬的滲透率減小,增大流體流動(dòng)阻力和氣泡逃逸阻力；當(dāng)泡沫金屬厚度增大時(shí),換熱面積增大,沸騰成核點(diǎn)增多,流體流動(dòng)阻力和氣泡逃逸阻力增大。3.填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰強(qiáng)化換熱研究。設(shè)計(jì)并搭建一套用于測(cè)定填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰強(qiáng)化換熱研究的試驗(yàn)裝置,記錄試驗(yàn)過程中溫度和壓力等參數(shù),并且觀測(cè)管內(nèi)流型變化。建立方管內(nèi)流動(dòng)沸騰氣液兩相流動(dòng)與換熱模型,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；研究填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降特性；研究填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性,探索其換熱特性的影響因素,如泡沫金屬PPI值、熱流密度、質(zhì)量流量等。當(dāng)泡沫金屬的PPI值增大時(shí),試驗(yàn)段的換熱系數(shù)和單位壓降△P增大。因此,泡沫金屬提高流動(dòng)沸騰換熱性能是以增大管內(nèi)壓降為代價(jià)的。在應(yīng)用泡沫金屬強(qiáng)化兩相換熱的過程中,需要綜合考慮換熱和壓降性能,以作出合適的選擇。本文采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究泡沫金屬內(nèi)沸騰換熱特性,探索泡沫金屬強(qiáng)化沸騰換熱過程的各種影響因素。相關(guān)研究將進(jìn)一步完善泡沫金屬內(nèi)氣液兩相流動(dòng)與換熱理論,同時(shí)對(duì)于泡沫金屬在低溫制冷等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。
【關(guān)鍵詞】：泡沫金屬 沸騰 相變 氣泡 格子Boltzmann方法
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK124
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 主要符號(hào)表9-14
• 第一章 緒論14-30
• 1.1 課題研究背景與意義14-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-27
• 1.2.1 氣泡動(dòng)力學(xué)行為的研究15-20
• 1.2.1.1 格子Boltzmann方法在多相流運(yùn)動(dòng)及傳熱中的應(yīng)用17-18
• 1.2.1.2 格子Boltzmann方法在多孔介質(zhì)內(nèi)多相流運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用18-20
• 1.2.2 沸騰換熱及其強(qiáng)化傳熱技術(shù)20-27
• 1.2.2.1 泡沫金屬強(qiáng)化池沸騰換熱過程的研究22-25
• 1.2.2.2 泡沫金屬強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱過程的研究25-27
• 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容27-28
• 1.4 本章小結(jié)28-30
• 第二章 泡沫金屬的主要性能參數(shù)研究30-38
• 2.1 序言30
• 2.2 泡沫金屬孔隙率測(cè)定30-31
• 2.3 泡沫金屬有效導(dǎo)熱系數(shù)研究31-35
• 2.3.1 試驗(yàn)原理和總體設(shè)計(jì)31
• 2.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理31-32
• 2.3.3 試驗(yàn)結(jié)果討論32-33
• 2.3.4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證33-35
• 2.4 泡沫金屬的滲透率35
• 2.5 泡沫金屬的熱交換面積35-37
• 2.6 本章小結(jié)37-38
• 第三章 多孔介質(zhì)內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)特性的LBM方法模擬研究38-66
• 3.1 引言38
• 3.2 格子Boltzmann方法原理及Shan-Chen模型38-42
• 3.2.1 格子Boltzmann方法的發(fā)展歷史38-39
• 3.2.2 多相多組分格子Boltzmann模型39-41
• 3.2.3 宏觀控制方程與無量綱準(zhǔn)則數(shù)41-42
• 3.2.4 模型驗(yàn)證42
• 3.3 多孔介質(zhì)內(nèi)的LBM模擬42-43
• 3.3.1 物理模型43
• 3.3.2 初始條件和邊界條件設(shè)定43
• 3.4. 計(jì)算結(jié)果及討論43-65
• 3.4.1 單個(gè)氣泡動(dòng)力特性分析44-57
• 3.4.1.1 多孔介質(zhì)對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響44-48
• 3.4.1.2 Eo數(shù)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響48-51
• 3.4.1.3 氣泡直徑對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響51-52
• 3.4.1.4 多孔介質(zhì)骨架間距對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響52-53
• 3.4.1.5 多孔介質(zhì)骨架排列形式對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響53-56
• 3.4.1.6 兩相流體黏度比對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響56
• 3.4.1.7 流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響56-57
• 3.4.2 多個(gè)氣泡動(dòng)力特性分析57-65
• 3.4.2.1 兩個(gè)氣泡并排放置時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性58-62
• 3.4.2.2 兩個(gè)氣泡上下放置時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性62-65
• 3.5. 本章小結(jié)65-66
• 第四章 含有泡沫金屬的加熱表面過冷池沸騰相變換熱試驗(yàn)研究66-88
• 4.1 引言66
• 4.2 試驗(yàn)原理和總體設(shè)計(jì)66-67
• 4.3 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建及相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備介紹67-72
• 4.3.1 主要試驗(yàn)設(shè)備67-69
• 4.3.2 試驗(yàn)塊設(shè)計(jì)與加工69-70
• 4.3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建70-71
• 4.3.4 試驗(yàn)方法71-72
• 4.4 數(shù)據(jù)處理和誤差分析72-73
• 4.4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理72
• 4.4.2 誤差分析72-73
• 4.5 帶有泡沫金屬表面過冷池沸騰相變換熱特性分析73-78
• 4.5.1 泡沫金屬PPI值對(duì)換熱性能的影響73-74
• 4.5.2 泡沫金屬層厚度對(duì)換熱性能的影響74-75
• 4.5.3 加熱面傾角對(duì)換熱性能的影響75-77
• 4.5.4 溫度漂移和滯后現(xiàn)象77-78
• 4.6 豎直壁面池沸騰過程中氣泡行為過程可視化研究78-86
• 4.6.1 豎直壁面池沸騰過程中泡沫金屬表面氣泡行為過程可視化研究78-81
• 4.6.2 豎直壁面池沸騰過程中泡沫金屬內(nèi)氣泡行為過程微觀可視化研究81-86
• 4.6.2.1 單個(gè)氣泡的運(yùn)動(dòng)過程81-84
• 4.6.2.2 兩個(gè)氣泡的合并過程84-85
• 4.6.2.3 多氣泡的合并過程85-86
• 4.7 本章小結(jié)86-88
• 第五章 填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰強(qiáng)化換熱研究88-108
• 5.1 引言88
• 5.2 試驗(yàn)原理和總體設(shè)計(jì)88-90
• 5.3 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建及相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備介紹90-95
• 5.3.1 主要試驗(yàn)設(shè)備90-92
• 5.3.2 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)92-93
• 5.3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建93-94
• 5.3.4 試驗(yàn)方法94
• 5.3.5 數(shù)據(jù)處理和誤差分析94-95
• 5.4 光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性分析95-102
• 5.4.1 光管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性研究96
• 5.4.2 模型驗(yàn)證96-97
• 5.4.3 方管內(nèi)流型和沸騰換熱理論97-102
• 5.4.3.1 方管內(nèi)流動(dòng)沸騰流型模型建立97-99
• 5.4.3.2 方管內(nèi)流動(dòng)沸騰流型模型驗(yàn)證99-101
• 5.4.3.3 方管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱模型建立101-102
• 5.4.3.4 方管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱模型驗(yàn)證102
• 5.5 填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降與換熱特性研究102-105
• 5.5.1 填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降特性研究102-103
• 5.5.2 填充泡沫金屬的方管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性研究103-105
• 5.6 本章小節(jié)105-108
• 第六章 結(jié)論與展望108-112
• 6.1 結(jié)論108-109
• 6.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)109-110
• 6.3 工作展望110-112
• 參考文獻(xiàn)112-124
• 致謝124-126
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的主要學(xué)術(shù)成果126-128

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