多孔介质材料在低温下的传热特性实验研究

多孔介质材料在低温下的传热特性实验研究

温永刚，陈光奇

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理国家级重点实验室，甘肃

兰州７３００００）

摘

要：对多孔介质材料在低温下的传热特性进行了实验研究，在填充液氮以后其低温维持时间明显增加，主要

原因是由于多孔材料的参与改变了传热特性；采用连续介质管束模型，用有限元分析软件对其整体温度场分布进行了数值模拟计算，计算结果和实验数据吻合。

关键词：多孔介质；低温传热；管束；有限元中图分类号：ＴＫ１２４；ＴＢ３８３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００６－７０８６（２００７）０２－００９８－０４

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ＬａｎｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｔｉｍｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙａｆｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｉｎｔｈｅｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｄｕｅｔｏｔｈｅｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｎｇｏｆｐｏｒｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｗｈｉｃｈｃｈａｎｇｅｓｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅｂｕｎｄｌｅｏｆｔｕｂｅｓｍｏｄｅｌａｎｄａｍｅｔｈｏｄｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｗｈｏｌｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅｗｅｒｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ；ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｕｎｄｅｒｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｂｕｎｄｌｅｏｆｔｕｂｅｓ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ

１引言

随着传热传质学研究的不断深入及其研究领域的不断扩大，已逐渐渗透到微观世界。

研究范围从微米一直到纳米，极大地开阔了人类的视野。然而对于微观结构复杂的多孔介质材料，其传热传质特性的研究还很不成熟，诸多理论的建立都是基于各种各样的假设，造成与实验结果的偏离。

综合多孔介质的结构特征，可对其含义规定如下［１］：多孔介质材料是一种多相物质共存的组合体，在多相物质中至少有一相不是固体，它们可以是气相或液相，固相作为固体骨架，其余部分作为空隙空间，构成空隙空间的孔洞应当相互连通，即空隙内任意两点可以用一条完全位于其中的假想曲线连接起来。按照多孔介质材料的定义，可以认为玻璃纤维、陶瓷纤维、金属丝等毛细材料均属于多孔介质材料范畴。由于其自身的特殊结构，流体在其内部的传热特性相当复杂。

由于多孔介质结构的不均匀性以及各传递过程的相互影响，构成了多孔介质传热过程的复杂性，作者采用实验与数值模拟相结合的研究方法对其传热特性进行了研究。

作者选取玻璃纤维作为多孔介质材料进行实验并测量了实验数据，对其在低温下的某些传热特性做了

收稿日期：２００７－０１－１８．

基金项目：真空低温技术与物理国家级重点实验室基金（９１４０Ｃ５５０８０１）资助。作者简介：温永刚（１９７８－），男，甘肃省陇西县人，硕士研究生，从事低温物理研究。

第１３卷第２期２００７年０６月

真空与低温

Ｖａｃｕｕｍ＆Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ

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分析。同时采用连续介质管束模型和有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对其温度分布进行了数值模拟计算，将计算结果与实验结果加以比较。

２实验研究２．１

实验装置

实验装置选用的杜瓦容器为带有观察窗和

刻度尺的玻璃杜瓦，最小读数为１ｍｍ，同时采用升降连杆装置以控制实验件浸没在液氮中的高度。实验装置原理示意图如图１所示。

２．２实验方法

实验件尺寸选用Φ５０ｍｍ×１２０ｍｍ的不锈

钢薄壁直通圆筒，表面贴以ａ、ｂ、ｃ、ｄ四支预先标定好的Ｔ型铜－康铜热电偶用以测温，测量位置相对均布且固定。实验过程分别在不填充玻璃纤维和填充玻璃纤维的２种情形下进行。玻璃纤维填充质量为８．６０ｇ，其填充密度约为

３．８２ｋｇ／ｍ３。

实验开始时，先将电子称清零，加注液氮，

质量约０．９０ｋｇ，液氮面距离电子称台面约８５ｍｍ，其中ａ、ｂ、ｃ三支热电偶处于液氮面以上，只有热电偶ｄ处于液氮面以下。两次实验过程中保证其实验初始状态一致并记录数据，实验过程持续时间为６０ｍｉｎ。

２．３实验结果

图２￣图５是ａ、ｂ、ｃ、ｄ４点温度随时间的变化曲线。

图２ａ点温度分布随时间变化图图３ｂ点温度分布随时间变化

图４ｃ点温度分布随时间变化图图５ｄ点温度分布随时间变化图

温永刚等：

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真空与低温第１３卷第２期图６、图７分别是杜瓦容器内液氮面高度和液氮质量随时间的变化曲线。

图６液氮面高度随时间变化图图７液氮质量随时间变化图

２．４实验结论

（１）在过程１中，液氮面下降到热电偶ｄ位置以下后，该点温度呈线性迅速回升，４点的回温曲线斜率基本是相同的。

（２）在过程２中，由于有多孔材料的存在改变了传热特性，增加了筒体表面温度在低温下的维持时间，使回温曲线的出现延迟了大约１５￣３０ｍｉｎ。

（３）相比过程１，过程２所消耗的液氮量要大，多余消耗的这部分液氮潜热正好用于补充低温维持时间增加所产生的热损。

３数值模拟结果与实验结果的比对

３．１计算假定

利用计算机模拟软件来对实验中的过程２进行数值分析。作者选用的有限元分析软件为ＡＮＳＹＳ［２￣４］。

由于填充介质为多孔介质，其内部传热过程是相当复杂的，再加上液氮在其中参与进行的两相流换热，使得问题更进一步的复杂。作者的处理方法是将其作为连续介质来处理。按照材料具体情况选用Ｋｏｚｅｎｙ提出的管束模型，将多孔介质看成是一组平行管束的几何体，其表面积、体积等均假定相等，即采用统计的方法，忽略多孔介质的微观结构，从研究质点问题出发，用一种连续介质结构的物质来代替实际的多孔介质［３，４］。传热计算过程中用到的多孔介质结构参数按照文献［１，５］的方法进行计算。

在计算过程中需作出如下假定：

（１）薄壁直通圆筒的壁厚忽略不计，其内部的热量传递主要是通过气液间的热传导及对流换热来进行；（２）实验环境周围空气平均温度为常温且维持不变；（３）圆筒材料热性能参数可以按其平均壁温来选取和计算，随温度降低所产生的变化忽略不计。

３．２有限元解计算结果

利用ＡＮＳＹＳ建模时，选取轴对称平面的１／２建立二维有限元模型，采用自由网格划分方式，加载设置的边界条件后，得到的计算结果如图８、图９所示。

图８１０ｍｉｎ圆筒整体温度分布图９３０ｍｉｎ圆筒整体温度分布