泡沫金屬填充套管換熱器內(nèi)流體流動和傳熱研究.pdf

1、多孔泡沫金屬是近幾十年發(fā)展起來的一種兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重屬性的新型工程材料，是一種由金屬固體骨架和連續(xù)或不連續(xù)的孔構(gòu)成的功能性材料。其具有優(yōu)良的力學、熱物理、電學和聲學等特性。多孔泡沫金屬分為開孔和閉孔兩種形式。其中開孔泡沫金屬在強化傳熱技術(shù)中具有以下特點：(1)質(zhì)量輕、強度高、硬度大；(2)比表面積大，這使流體流過時可得到很大的接觸面積，將熱量傳遞給泡沫金屬固體骨架，從而儲存能量強化傳熱；(3)與流動方向相垂直的孔棱可將邊界層隔斷并使流

2、體相互混合，強化流體湍流程度；(4) 開孔是相互連通的，充分利用了所有的面積。因此開孔泡沫金屬可用來制造質(zhì)量更輕、更加緊湊、傳熱效率更高的換熱器。
　　 多孔泡沫金屬作為一種新型功能材料，其性能目前還處于研究、開發(fā)階段，還未得到廣泛應用，本文著重進行泡沫金屬填充套管換熱器內(nèi)流體流動和傳熱的研究。主要研究工作：
　　 (1)多孔泡沫金屬性能的理論研究，重點對描述泡沫金屬的基本參數(shù)進行了理論分析，得出了表示泡沫金屬中流體流動

3、的流動參數(shù)，為實驗和數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。
　　 (2)多孔泡沫金屬強化傳熱實驗研究，設計了泡沫金屬填充套管換熱器實驗裝置及其傳熱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將泡沫金屬填充在內(nèi)管中。
　　 (3)對泡沫金屬填充套管換熱器傳熱采用有限體積法進行數(shù)值分析，通過Gambit建立了實驗中套管換熱器裝置的三維模型，并通過Fluent對其流體流動及傳熱特性進行分析。
　　 經(jīng)理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬結(jié)果如下：
　　 (1)數(shù)值

4、模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合，傳熱速率和壓降均隨孔密度或流速的增大而增大。其中填充鋁泡沫后壓降雖大于空管，但強化傳熱效果顯著。通過對換熱器壓降和傳熱性能的綜合分析，得出填充鋁泡沫后換熱器的綜合性能比普通套管換熱器更好。
　　 (2)對泡沫金屬填充水－水套管換熱器的數(shù)值模擬，分析了孔隙率、雷諾數(shù)、管徑、基體材料等對換熱器內(nèi)的流動和換熱的影響。結(jié)果顯示泡沫金屬的換熱能力和流動阻力隨孔隙率的減小而增大，隨雷諾數(shù)的增大而顯著增大；對于壓降：當

5、基于滲透率的雷諾數(shù)()小于20時，主要受滲透率的影響，當超過20時，主要受慣性系數(shù)影響；不受管徑大小、泡沫金屬材料的影響，這說明壓降主要由泡沫金屬固體骨架的三維結(jié)構(gòu)引起而非管壁摩擦所致；對于換熱：隨著雷諾數(shù)、管徑或基體金屬傳熱系數(shù)的增大，總傳熱系數(shù)也顯著提高。但當雷諾數(shù)超過10000后，總傳熱系數(shù)的提高顯著變小并開始趨于穩(wěn)定。
　　 (3)引入熱阻和泵功率對填充泡沫金屬后的套管換熱器的綜合性能進行比較，引入性能因子，得出填充泡沫