泡沫金属换热器压降与换热特性的实验研究
泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究
山东科学ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ第３４卷第４期２０２１年８月出版Ｖｏｌ.３４Ｎｏ.４Ａｕｇ.２０２１ＤＯＩ:１０.３９７６/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２￣４０２６.２０２１.０４.０１２ʌ能源与动力ɔ收稿日期:２０２０￣０８￣２６基金项目:国家自然科学基金重大国际(地区)合作项目(４１７６１１４４０６７)作者简介:马清钊(１９９５ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为分布式能源系统的优化设计ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｍａｑｉｎｇｚｈａｏ＠ｆｏｘｍａｉｌ.ｃｏｍ∗通信作者ꎬ韩吉田ꎬ男ꎬ教授ꎬ研究方向为综合能源系统㊁氢能与燃料电池㊁多相流与传热㊁热电制冷ꎮＴｅｌ:１３１７３０２２３６１ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｊｔｈａｎ＠ｓｄｕ.ｅｄｕ.ｃｎ泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究马清钊ꎬ陈康ꎬ葛艺ꎬ冯嘉晖ꎬ韩吉田∗(山东大学能源与动力工程学院ꎬ山东济南２５００６１)摘要:利用改进电镀法制备了新型的泡沫金属铜微孔表面ꎬ通过扫描电子显微镜(ＳＥＭ)测定泡沫铜上微孔表面的微观结构ꎬ实验以去离子水为工质ꎬ研究了光滑表面和微孔表面的池沸腾传热特性ꎬ获得了光滑和微孔表面的池沸腾传热曲线ꎮ研究结果表明ꎬ在相同的热流密度条件下ꎬ微孔表面的汽化核心在核沸腾区密度较大ꎬ可有效降低壁面初始沸点的过热度ꎬ显著提高池沸腾的换热系数ꎬ证明该表面可用于半导体制冷系统等大型功率电子器件散热ꎮ关键词:池沸腾ꎻ强化换热ꎻ微孔表面ꎻ过热度ꎻ换热系数中图分类号:ＴＢ６１＋１ꎻＶ２３１.１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００２￣４０２６(２０２１)０４￣００７３￣０７开放科学(资源服务)标志码(ＯＳＩＤ):ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｏｐｐｅｒｆｏａｍＭＡＱｉｎｇ￣ｚｈａｏꎬＣＨＥＮＫａｎｇꎬＧＥＹｉꎬＦＥＮＧＪｉａ￣ｈｕｉꎬＨＡＮＪｉ￣ｔｉａｎ∗(ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉｎａｎ２５００６１ꎬＣｈｉｎａ)ＡｂｓｔｒａｃｔʒＩｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙꎬａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｆｏｒｃｏｐｐｅｒｆｏａｍｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｕｓｉｎｇａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ.Ｆｕｒｔｈｅｒꎬｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｏｐｐｅｒｆｏａｍｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄｕｓｉｎｇａｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ(ＳＥＭ).Ｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔꎬｄｅｉｏｎｉｚｅｄｗａｔｅｒｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｍｅｄｉｕｍｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｍｏｏｔｈａｎｄｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｓꎬｔｈｅｒｅｂｙｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｉｒｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｕｒｖｅｓ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｉｄｅｎｔｉｃａｌｈｅａｔｆｌｕｘｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｔｈｅｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｈａｓａｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｉｎｔｈｅｎｕｃｌｅａｔｅｂｏｉｌｉｎｇｚｏｎｅꎬｗｈｉｃｈｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｕｐｅｒｈｅａｔａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｂｏｉｌｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆｔｈｅｗａｌｌａｎｄｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ.Ｔｈｕｓꎬｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｏｐｐｅｒｆｏａｍｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ￣ｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓｓｕｃｈａｓｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓʒｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇꎻｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔꎻｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅꎻｄｅｇｒｅｅｏｆｓｕｐｅｒｈｅａｔꎻｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ４７山㊀东㊀科㊀学２０２１年㊀㊀池沸腾换热具有换热效率高㊁传热温差小㊁换热表面温度分布均匀等优点ꎬ在能源动力㊁石油化工㊁航空航天㊁大功率电子器件冷却等领域都得到了广泛应用[１￣２]ꎮ池沸腾换热的性能与换热表面结构特性㊁换热温差㊁流体的热物理性质等因素有关ꎮ为了满足高热流密度换热的需要ꎬ有效强化池沸腾换热具有至关重要的意义ꎮ到目前为止ꎬ已发展了多种池沸腾换热的强化方法ꎮ泡沫金属微孔表面具有传热面积大㊁换热强度高㊁沸腾传热温差小㊁汽化核心与成核密度多㊁临界热流密度高㊁表面温度均匀㊁结构紧凑并在一定程度上可提高设备的防垢性能等优点[３]ꎬ通过多孔表面强化池沸腾换热已成为解决高热流密度散热问题的有效方法之一ꎮ赵紫薇等[４]研究了烧结多孔表面的池沸腾换热ꎬ结果表明ꎬ与光滑表面相比多孔表面具有较高的成核位点密度和较小的气泡体积ꎬ可以降低核沸腾开始时壁面的过热度而强化其池沸腾换热ꎮ欧阳新萍等[５]实验研究了水平增强管外部制冷剂Ｒ１３４ａ的核态池沸腾换热ꎬ结果表明ꎬ其管外池沸腾传热系数随热流密度和蒸发温度的升高而增加ꎮ已有研究均表明多孔表面是有效增强沸腾传热的重要途径之一[６]ꎮ多孔金属表面作为最常用的多孔表面之一ꎬ其制备方法是池沸腾传热研究的重要环节ꎬ可以通过火焰喷涂[７￣８]㊁激光光刻㊁模板法[９]㊁烧结工艺[４]和电镀法等多种方法制备[１０]ꎮ但是ꎬ这些方法都存在一定的局限性:通过喷雾烧结法制备多孔结构层需要对有毒有害物质进行预处理ꎬ激光光刻处理设备昂贵ꎬ模板法和烧结法制备样品尺寸小ꎮ电镀法由于具有简单㊁环境友好等优点而被认为是制备多孔金属表面的实用方法之一ꎮ已有许多学者通过电镀法制备泡沫金属铜微孔表面ꎬ研究表面孔密度㊁孔隙率等结构参数和润湿性对其池沸腾换热特性的影响ꎮ胡晨昱等[１１]研究了不同结构参数对表面传热系数的影响ꎬ并根据实验结果开发了制冷剂在泡沫铜表面的池沸腾传热关联式ꎮ贾曦[１２]研究表明ꎬ比表面积大㊁汽化核心多㊁疏水性强等特性使泡沫铜能够强化沸腾换热ꎮ沙超群等[１３]在ＣＰＵ罩上方安装烧结铜镀银颗粒处理后的铜块ꎬ增强芯片散热ꎮ已有研究对于泡沫铜池沸腾换热特性分析较多ꎬ考虑泡沫铜微孔表面从制备到具体应用的研究较少ꎬ本文在前人研究的基础上ꎬ利用改进电镀法制备了一种新的泡沫金属微孔表面ꎬ且不需要经过烧结处理ꎬ可应用于半导体制冷系统等大型功率电子器件上ꎮ通过扫描电子显微镜(ＳＥＭ)测定泡沫铜上微孔表面的微观结构ꎬ实验以去离子水为工质ꎬ研究微孔表面的池沸腾传热特性ꎬ得到了微孔表面的池沸腾传热曲线ꎬ为泡沫铜微孔表面的制备及应用提供了参考依据ꎮ１㊀泡沫铜微孔表面的制备１.１㊀多孔表面制备电镀法是利用电化学反应来制备多孔表面的ꎮ电镀过程中ꎬ在直流电的作用下镀件表面会有铜析出ꎬ同时产生大量的氢气ꎬ氢气在逃逸过程中形成的通道是微孔结构的ꎮ常规电镀法制备的微孔表面其表面蓬松得益于烧结处理ꎬ但用于制冷器件的多孔表面会受到损伤ꎬ而且微粒结构结合力较弱ꎬ需要改进现有的电镀法制备多孔表面的工艺ꎮ采取电极水平放置ꎬ镀件在下磷铜板在上的电镀方式ꎬ可以使镀层均匀ꎬ避免出现表面塌陷等缺陷ꎮ同时ꎬ在小电流㊁较长电镀时间的条件下得到的多孔表面微粒结构的结合力比大电流㊁较长电镀时间的条件下得到的结合力强[１４]ꎮ因此ꎬ本实验采用电极水平放置ꎬ镀件在下磷铜板在上ꎬ小电流㊁较长电镀时间的方法ꎬ避免烧结处理ꎬ同时通过加入表面活性剂来细化多孔表面的微粒及汽化核心ꎬ从而制备出了微孔表面ꎮ如图１所示ꎬ电镀实验台主要由直流电源㊁恒温水浴㊁霍尔槽㊁烧杯㊁量筒㊁电子测温计㊁搅拌棒等组成ꎮ其中ꎬ恒温水浴可提供电镀过程所需的操作温度ꎮ电镀法所需的化学试剂主要包括浓硫酸㊁硫酸铜㊁浓盐酸等ꎮ通过多次实验确定了适合电镀法的电流和时间后ꎬ在金属铜表面制备了微孔表面ꎬ并采用ＳＥＭ方法测定了该微孔表面的微观结构ꎮ第４期马清钊ꎬ等:泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究图１㊀电镀多孔表面制备装置示意图Ｆｉｇ.１㊀Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇｔｈｅｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓ１.２㊀微孔表面分析应用１.１节电镀法制成的微孔表面的ＳＥＭ分析结果如图２所示ꎮ由图２可以看出ꎬ在金属铜的多孔结构中ꎬ通孔直径从底层到表面逐渐增大ꎬ尺寸范围从纳米级增大到微米级ꎮ这主要是由于在电镀过程中ꎬ电化学反应会产生一定量的氢气ꎬ氢气在逃逸过程中会由小气泡累积成大气泡ꎬ而这些微孔就是伴随氢气逃逸过程而形成的ꎬ这样制备的多孔表面可称为微孔表面[１５]ꎮ图２㊀多孔层ＳＥＭ照片Ｆｉｇ.２㊀ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｐｏｒｏｕｓｌａｙｅｒ２㊀实验研究和数据整理２.１㊀实验系统如图３所示ꎬ为了研究泡沫铜微孔表面对池沸腾换热性能的影响ꎬ搭建了基于泡沫铜的微孔表面强化池沸腾换热实验台ꎬ主要包括底座㊁加热棒㊁测试铜柱等ꎮ加热棒表面涂有导热硅脂ꎬ保证其与铜块孔的内表面紧密接触ꎬ在铜块和底座之间形成的空腔中填充满石棉绒和保温棉以达到保温的效果[１６]ꎬ外壳两侧有嵌入到外壳表面的可视化窗口ꎬ以便对池沸腾过程进行观察ꎮ在沸腾实验中ꎬ以去离子水为实验介质ꎬ池中的去离子水被加热到沸腾而形成蒸汽ꎬ冷却回流系统将蒸汽冷凝为液体水后再回流至池内以维持池内液面高度平衡ꎬ从而可忽略液面高度变化对实验结果的误差影响ꎮ图３㊀沸腾换热实验系统图Ｆｉｇ.３㊀Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅ５７山㊀东㊀科㊀学２０２１年２.２㊀数据整理实验使用Ｔ型热电偶来测量温度ꎮ热电偶Ｔ１ꎬＴ２和Ｔ３依次放置在加热铜块的轴向中心线上以测量热流密度ꎬ其间距为１０ｍｍꎬꎮ从Ｔ１测量点到铜块上表面的距离为５ｍｍꎮ当实验系统达到热稳定状态时ꎬ铜柱内的热传导过程可视为一维稳态导热ꎮ根据Ｔ１ꎬＴ２和Ｔ３的测量值ꎬ可以计算出被加热表面的热流密度:ｑ＝１３λＴ２－Ｔ１Ｌ１＋Ｔ３－Ｔ２Ｌ２＋Ｔ３－Ｔ１Ｌ１＋Ｌ２æèçöø÷ꎬ(１)Ｔｗ＝Ｔ１－ｑˑＬ０λꎬ(２)其中ꎬＬ０㊁Ｌ１和Ｌ２是从Ｔ１到铜柱上表面㊁Ｔ１和Ｔ２之间和Ｔ２和Ｔ３之间的距离ꎬｑ是热流密度ꎬλ是铜块的热导率ꎬＴｗ是铜柱上表面的温度ꎮ以铜柱上表面温度Ｔｗ和去离子水的饱和温度Ｔｓ之差为沸腾传热的温差:ΔＴ＝Ｔｗ－Ｔｓꎮ(３)则受热面的池沸腾传热系数为:ｈ＝ｑΔＴ＝ｑＴｗ－Ｔｓꎮ(４)测量结果表明ꎬ热电偶测量误差为ʃ０.５％ꎬ热电偶间距误差为ʃ１％ꎮ因此ꎬ根据标准误差分析ꎬ热流密度的不确定度为:Δｑｑ＝ΔＴＴæèçöø÷２＋ΔＬＬæèçöø÷２ꎮ(５)沸腾传热系数的不确定度为:Δｈｈ＝Δｑｑæèçöø÷２＋ΔＬｉＴｗ－Ｔｓæèçöø÷２＋ΔＴｓＴｗ－Ｔｓæèçöø÷２ꎬ(６)其中ꎬＬ是相邻热电偶之间的距离ꎮ根据标准误差计算可得ꎬ热流密度的最大不确定度为ʃ１.３２％ꎬ沸腾传热系数的最大不确定度为ʃ９.０５％ꎮ３㊀实验结果分析为了检验实验系统的可靠性ꎬ采用制冷剂Ｒ１３４ａ对微孔表面的池沸腾换热特性进行实验研究ꎬ通过实验数据分析ꎬ得到图４的池沸腾换热曲线ꎬ与段炼[１５]关于Ｒ１３４ａ在多孔表面的池沸腾换热研究结果较为接近ꎬ证明实验系统可靠ꎮ图４㊀制冷剂Ｒ１３４ａ在多孔表面上的池沸腾换热系数曲线Ｆｉｇ.４㊀ＰｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆＲ１３４ａｏｎｔｈｅｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅ６７第４期马清钊ꎬ等:泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究在大气条件下ꎬ在热流密度为１７~２２５Ｗ/ｃｍ２ꎬ过热度５~３０ħꎬ以去离子水为工质对微孔表面的池沸腾换热特性进行了实验研究ꎮ为了便于比较ꎬ在相同的实验条件下ꎬ对光滑表面的池沸腾换热特性也进行了实验研究ꎮ图５和图６分别给出了在光滑表面和微孔表面池沸腾换热的实验结果ꎮ应当指出的是ꎬ由于现有实验系统加热和冷凝功率的限制ꎬ该实验仅在较低热流密度和较小传热温差条件下获得了池沸腾的传热特性数据ꎮ从图５可以看出ꎬ在本文实验的热流密度范围内ꎬ池沸腾的热流密度随过热度的增加而增加ꎬ微孔表面的沸腾传热曲线总是高于光滑表面的沸腾传热曲线ꎬ且微孔表面可以减少沸腾初始的过热度ꎮ图５㊀去离子水在不同表面上的池沸腾传热曲线Ｆｉｇ.５㊀Ｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｕｒｖｅｓｏｆｄｅｉｏｎｉｚｅｄｗａｔｅｒｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｓ由图６可以看出ꎬ池沸腾传热系数随着热流密度的增加而增加ꎬ表明受热表面上的核沸腾传热强度逐渐增强ꎬ且多孔表面的沸腾传热系数总是比光滑表面的高ꎮ图６㊀去离子水在不同表面上的池沸腾传热系数曲线Ｆｉｇ.６㊀Ｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆｄｅｉｏｎｉｚｅｄｗａｔｅｒｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｓ由于微孔表面具有多孔结构ꎬ相比光滑表面具有更大的比表面积ꎬ换热流体均匀扩展在金属孔层内ꎬ沸腾传热面积更大ꎬ从而换热效率更高ꎻ泡沫金属的多通道结构将换热流体分割成一个个相互连通的毛细管层ꎬ而泡沫金属铜的骨架有利于形成更多的汽化核心ꎬ有助于强化其池沸腾换热ꎮ气泡在气化核心处产生ꎬ然后连续生长并在微孔表面向上运动ꎬ最终脱离微孔表面ꎮ但由于金属孔的尺寸限制ꎬ一些气泡会不断被金属骨架粉碎ꎮ气泡脱离一方面会截留部分气体在孔内ꎬ形成新的气化核心ꎻ另一方面会有上部液体和相邻液体进行补充ꎬ液体在补充过程中的蒸发会使气泡脱离速率与气泡体积均增大ꎮ由于气泡的产生㊁生长㊁破碎７７８７山㊀东㊀科㊀学２０２１年与脱离ꎬ液体的补充流动以及更大的沸腾传热面积增强了对流传热ꎬ并且使孔内部分液体处于湍流状态ꎬ故微孔表面比光滑表面具有更高的热交换效率ꎮ４㊀结论本文通过改进电镀法制备了新型泡沫金属铜微孔表面ꎬ通过ＳＥＭ测量了该表面的微观结构ꎬ以去离子水为实验介质ꎬ对微孔表面的池沸腾传热特性进行了实验研究ꎬ并将其与光滑表面的沸腾换热特性进行了比较ꎮ研究结果表明ꎬ该微孔表面在实验的热流密度条件下可明显增强池沸腾传热ꎬ并有效降低沸腾起始点的壁面过热度ꎬ可用于半导体制冷系统等大型功率电子器件散热ꎮ由于现有实验装置加热功率的限制ꎬ只得到了较低热流密度下微孔表面的池沸腾传热曲线ꎬ下一步将通过增大实验装置的加热功率ꎬ进一步研究高热流密度下微孔表面的沸腾传热特性ꎬ从而获得其完整的沸腾换热特性曲线ꎮ参考文献:[１]陈宏霞ꎬ黄林滨ꎬ宫逸飞.多孔结构及表面浸润性对池沸腾传热影响的研究进展[Ｊ].化工进展ꎬ２０１７ꎬ３６(８):２７９８￣２８０８.ＤＯＩ:１０.１６０８５/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００￣６６１３.２０１６￣２３５０.ＣＨＥＮＨＸꎬＨＵＡＮＧＬＢꎬＧＯＮＧＹＦ.Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｆｒｏｍｐｏｒｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｕｒｆａｃｅｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ[Ｊ].ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｏｇｒｅｓｓꎬ２０１７ꎬ３６(８):２７９８￣２８０８.ＤＯＩ:１０.１６０８５/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００￣６６１３.２０１６￣２３５０. [２]ＣＩＥＳ'ＬＩＮ'ＳＫＩＪＴ.Ｎｕｃｌｅａｔｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｏｎｐｏｒｏｕｓｍｅｔａｌｌｉｃｃｏａｔｉｎｇｓ[Ｊ].ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｈｅｒｍａｌａｎｄＦｌｕｉｄＳｃｉｅｎｃｅꎬ２００２ꎬ２５(７):５５７￣５６４.ＤＯＩ:１０.１０１６/ｓ０８９４￣１７７７(０１)００１０５￣４.[３]付鑫ꎬ任小军ꎬ张鹏ꎬ等.多孔表面的液氮池沸腾实验研究[Ｊ].低温与超导ꎬ２０１４ꎬ４２(８):２１￣２５.ＦＵＸꎬＲＥＮＸＪꎬＺＨＡＮＧＰꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｏｆｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｏｎｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｓ[Ｊ].ＣｒｙｏｇｅｎｉｃｓａｎｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙꎬ２０１４ꎬ４２(８):２１￣２５.[４]赵紫薇ꎬ薛强ꎬ纪献兵ꎬ等.烧结多尺度表面与光表面池沸腾换热特性比较[Ｊ].工程热物理学报ꎬ２０１３ꎬ３４(４):６８０￣６８３.ＺＨＡＯＺꎬＸＵＥＱꎬＪＩＸꎬｅｔａｌ.Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｎｐｌａｉｎａｎｄｍｕｌｔｉ￣ｓｃａｌｅｐｏｒｏｕｓｃｏａｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓꎬ２０１３ꎬ３４(４):６８０￣６８３.[５]欧阳新萍ꎬ包琳琳ꎬ邱雪松.蒸发温度对强化换热管管外核态池沸腾换热性能的影响[Ｊ].制冷学报ꎬ２０１５ꎬ３６(１):９７￣１００.ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.０２５３￣４３３９.２０１５.０１.０９７.ＯＵＹＡＮＧＸＰꎬＢＡＯＬＬꎬＱＩＵＸＳ.Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｎｕｃｌｅａｔｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｕｔｓｉｄｅｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｄｔｕｂｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎꎬ２０１５ꎬ３６(１):９７￣１００.ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.０２５３￣４３３９.２０１５.０１.０９７. [６]郑晓欢.多尺度与改性结构表面的沸腾传热特性研究[Ｄ].北京:华北电力大学(北京)ꎬ２０１７.ＺＨＥＮＧＸＨ.Ｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｎｍｕｌｔｉ￣ｓｃａｌｅｐｏｒｏｕｓａｎｄｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｓ[Ｄ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１７.[７]刘阿龙ꎬ徐宏ꎬ王学生ꎬ等.复合粉末多孔表面管的沸腾传热[Ｊ].化工学报ꎬ２００６ꎬ５７(４):７２６￣７３０.ＤＯＩ:１０.３３２１/ｊ.ｉｓｓｎ:０４３８￣１１５７.２００６.０４.００４.ＬＩＵＡＬꎬＸＵＨꎬＷＡＮＧＸＳꎬｅｔａｌ.Ｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｗｄｅｒｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｔｕｂｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ(Ｃｈｉｎａ)ꎬ２００６ꎬ５７(４):７２６￣７３０.ＤＯＩ:１０.３３２１/ｊ.ｉｓｓｎ:０４３８￣１１５７.２００６.０４.００４.[８]郭兆阳ꎬ徐鹏ꎬ王元华ꎬ等.烧结型多孔表面管外池沸腾传热特性[Ｊ].化工学报ꎬ２０１２ꎬ６３(１２):３７９８￣３８０４.ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.０４３８￣１１５７.２０１２.１２.００９.ＧＵＯＺＹꎬＸＵＰꎬＷＡＮＧＹＨꎬｅｔａｌ.Ｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｎｓｉｎｔｅｒｅｄｐｏｒｏｕｓｃｏａｔｉｎｇｔｕｂｅｓ[Ｊ].ＣＩＥＳＣＪｏｕｒｎａｌꎬ２０１２ꎬ６３(１２):３７９８￣３８０４.ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.０４３８￣１１５７.２０１２.１２.００９.[９]ＬＩＣꎬＷＡＮＧＺＫꎬＷＡＮＧＰＩꎬｅｔａｌ.Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｃｏｐｐｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｆｏｒｅｎｈａｎｃｅｄｂｏｉｌｉｎｇ[Ｊ].Ｓｍａｌｌꎬ２００８ꎬ４(８):１０８４￣１０８８.ＤＯＩ:１０.１００２/ｓｍｌｌ.２００７００９９１.[１０]何照荣ꎬ范志卿ꎬ王大成.电火花改性表面池沸腾换热特性[Ｊ].化工进展ꎬ２０１８ꎬ３７(１２):４５３３￣４５４２.ＤＯＩ:１０.１６０８５/ｊ.９７第４期马清钊ꎬ等:泡沫铜微孔表面池沸腾换热特性的实验研究ｉｓｓｎ.１０００￣６６１３.２０１８￣０３９９.ＨＥＺＲꎬＦＡＮＺＱꎬＷＡＮＧＤＣ.Ｓｔｕｄｙｏｎｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｎｍｏｄｉｆｉｅｄｓｕｒｆａｃｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｖｉａｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｄｉｓｃｈａｒｇｅｍａｃｈｉｎｉｎｇ[Ｊ].ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｏｇｒｅｓｓꎬ２０１８ꎬ３７(１２):４５３３￣４５４２.ＤＯＩ:１０.１６０８５/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００￣６６１３.２０１８￣０３９９.[１１]胡晨昱ꎬ赖展程ꎬ胡海涛ꎬ等.泡沫金属结构对池沸腾换热特性的影响[Ｊ].制冷学报ꎬ２０１９ꎬ４０(６):９８￣１０２.ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.０２５３￣４３３９.２０１９.０６.０９８.ＨＵＣＹꎬＬＡＩＺＣꎬＨＵＨＴꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔａｌｆｏａｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎꎬ２０１９ꎬ４０(６):９８￣１０２.ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.０２５３￣４３３９.２０１９.０６.０９８.[１２]贾曦.泡沫铜强化池沸腾换热的研究[Ｄ].南京:东南大学ꎬ２０１８.ＪＩＡＸ.Ｓｔｕｄｙｏｎｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｗｉｔｈｃｏｐｐｅｒｆｏａｍｓ[Ｄ].Ｎａｎｊｉｎｇ:ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１８. [１３]沙超群ꎬ历军ꎬ张鹏ꎬ等.超高热流密度强化沸腾换热技术研究[Ｊ].计算机仿真ꎬ２０２０ꎬ３７(８):１８３￣１８７.ＳＨＡＣＱꎬＬＩＪꎬＺＨＡＮＧＰꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｈｅｕｌｔｒａ￣ｈｉｇｈｈｅａｔｆｌｕｘｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ[Ｊ].ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬ２０２０ꎬ３７(８):１８３￣１８７.[１４]宋鹏飞.微纳多孔表面的制备及其沸腾传热性能的实验研究[Ｄ].南京:南京理工大学ꎬ２０１２.ＳＯＮＧＰＦ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｈａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍａｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅ[Ｄ].Ｎａｎｊｉｎｇ:ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１２.[１５]段炼.基于热电制冷的装甲兵个体冷却系统研究[Ｄ].济南:山东大学ꎬ２０１８.ＤＵＡＮＬ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆａｒｍｏｒｅｄｓｏｌｄｉｅｒｐｅｒｓｏｎａｌｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ[Ｄ].Ｊｉｎａｎ:ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１８.[１６]霍冲.微纳尺度多孔表面用于半导体制冷热端强化散热的实验研究[Ｄ].济南:山东大学ꎬ２０１８.ＨＵＯＣ.Ｍｉｃｒｏ￣ｎａｎｏ￣ｓｃａｌｅｐｏｒｏｕｓｓｕｒｆａｃｅｓｕｓｅｄｆｏｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｉｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｈｏｔｅｎｄｓ[Ｄ].Ｊｉｎａｎ:ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１８.。
泡沫金属压降实验研究与CFD数值模拟分析
泡沫金属压降实验研究与CFD数值模拟分析作者：吴顺利刘浩胡俊虎来源：《科学导报·学术》2019年第36期摘要：本文通过实验研究、数值模拟的方法对流体流过10，20和30PPI的泡沫铜时进行压降特性分析，实验测试了不同PPI、孔隙率和流速下的压力损失，并通过商业软件fluent对压降进行数值分析。
表明：孔隙率在压降损失的影响中占主要因素;孔隙度（PPI）越高的泡沫金属，模拟与实验的契合度越高。
关键词：泡沫铜;孔隙率;压降梯度;数值模拟;引言泡沫金属是一种由金属基体和孔洞复合而成的新型材料，由于具有三维网状结构，高孔隙率（40%～98%），高比表面积，因此具有很多优良的特性[1] 。
正如一些学者的研究中所指出的，有许多工业和工程应用涉及金属泡沫中的流体流动。
其中一些应用利用金属泡沫的高表面积来获得宽催化表面、紧凑型热交换器和散热器[2] 。
1.实验平台的搭建本实验旨在研究工质在流过泡沫铜时的压力损失，实验选用10，20和30PPI孔隙率分别为95.12%，95.51%和95.46%的开孔系泡沫铜，当量直径为100㎜，沿流体流动方向的厚度为10㎜;实验平台如图（2）所示。
泡沫铜被内径为100㎜的PVC长管中，在泡沫铜两侧200㎜处放置两个皮托管用于测量两侧压力差，300㎜处放置两个风速仪用于测量前后风速。
通过变频器调节电机转速进而控制风速，流体通过3000㎜的风管进行稳流，最后进入与风管相连的1600㎜长的PVC长管中。
2.模拟以泡沫铜实体外形作为参考模型，在fluent中按1：1建模，划分网格数量为436542个，以空气为流体工质，压力特性选用标准模式，采用RNG，κ-ε 湍流模型;选用CFD内部的多孔介质模型，两个重要参数渗透率 K 和惯性系数 F 由实验数据拟合得到，如表（1）所示;速度入口和压力出口（全压为0Pa）;壁面设置为绝热固定壁面;松弛因子均为10-5;压力速度耦合采用simple 模型。
论文泡沫金属对管道换热的增强
论文泡沫金属对管道换热的增强
泡沫金属是一种具有开放孔隙结构的金属材料，可以在管道换热中发挥一定的增强效果。
以下是泡沫金属对管道换热的一些增强机制和优势：
1. 表面积增大：泡沫金属的开放孔隙结构使得其表面积相对较大，可以更充分地与流体接触，从而增加传热面积，提高换热效率。
2. 强化湍流：泡沫金属内部的孔隙结构可以剧烈扰动流动，产生湍流现象，湍流可以增加流体与金属之间的传热和传质效果。
3. 减小热阻：泡沫金属内部的孔隙结构能够增加流体的流动路径，减小了流体在金属表面的阻力，进而减小了传热过程中的热阻，提高了换热效率。
4. 均匀分布流体：泡沫金属内部的孔隙结构可以帮助均匀分布流体，避免了流体的局部堵塞或偏流现象，保证了热量的均匀传递。
5. 耐腐蚀性和机械强度：泡沫金属通常采用耐腐蚀的材料制成，具有较好的机械强度，可以应对各种环境和工艺要求。
在实际应用中，泡沫金属可以被用作管道换热器、燃气燃烧器的燃烧媒介、污水处理以及石油化工等领域的热交换装置中，以提高换热效率和节约能源。
值得注意的是，具体的应用效果还需要根据具体的工况和需求进行综合评估。
泡沫金属填充板式换热器的传热特性研究
该换热器最大的特点为 ： 将原板式换热器 的 波纹介质的填充材料替换为具有规则形状且具有 更 大 比表面积 的轻 型铁 镍泡 沫金 属材料 。该 板式
换热器相比传统的板式换热器具有更高的传热效 率， 同时具有 更 紧凑 的设 备结 构 以及更轻 的重量 。 另外 ， 泡沫金属的空密度与孔隙率可 以根据不同
力 的测 量 。该 压力 变送 器是精 度 为 ０ ５ Ｓ的扩 ．％Ｆ
散硅压力变送器， 型号 ： Ｄ一 ０ 压阻式 ， 出信 Ｍ ８１ 输
号 ： ２ 量程 ： ０ ６ＭＰ ， 用 Ｄ ４～ ０ｍＡ， ０— ． ａ采 Ｃ±２ ４Ｖ 供 电方 式 。
图 ３
力
容
器
总第 ２１ ３ 期
ｐ — —试 样密 度 试 本试 验 采 用 如 图 ３所 示 的 铁 镍 泡 沫 金 属 材
ｍ／ ， ｈ 采用型号 Ｌ Ｂ一 ０ 精度 １５ 、 Ｚ ４、 ．％ 量程 ６— ０ ６
ｍ／ ｈ的 Ｌ Ｂ玻 璃 转 子 流 量 计 进 行 测 量 ； 度 变 Ｚ 温
强化传热（ 如图 ２所示 ）并在换热器 的每个进出 ， 口设置传感器进行介质参数的测定。
模拟 ； 陈振乾等 建立 了泡沫金属 内冻结相变传 热过程的传热模型 ， 模型 中综合考虑 了泡沫金属 中骨架和流体介质不同换热特性的影 响； 李菊香 等 对管间填充多孔泡沫金属 的方形管壳式换
料， 其尺寸为 ２ ０ｍ ５ ｍ× ５ ｍ× ５ｍ 孔隙率 ２０ｍ １ ｍ，
为 ０ ９ ， 密 度 分别 为 Ｐ Ｉ， Ｐ１ ．８ 孔 Ｐ５ Ｐ Ｉ５和 Ｐ Ｉ５的 Ｐ２
送器采用一体 化现场显示温度 变送器 Ｅ ， Ｘ 其型
号 ：Ｒ Ｓ ＷＺ 一２ ８ ， 度 号 ： ｔ ０ 量 程 ： ４０ 分 Ｐｌ ， ０ ０—２ ０ ５
泡沫金属毛细芯热管热性能实验研究
泡沫金属毛细芯热管热性能实验研究李红传;纪献兵;周冬冬;徐进良【摘要】为解决大功率电子元器件的热管理问题,利用超轻多孔泡沫铜金属为毛细芯,设计一种新型热管(NHP).以丙酮为工质,研究热流密度、热管倾角对该新型热管热性能的影响,并与传统热管(CHP)、热沉(heat sink)的热性能进行对比.研究结果表明:新型热管不仅热性能最佳,而且具有优异的均温特性,当热管倾角为0°、热流密度为117.2 W/cm2时,加热面测温点之间的最大温差不超过7.0℃,且加热面中心点温度仅为56.2℃.热管倾角对新型热管的热性能有一定的影响,且热管倾角为0°时的热性能优于180°时的热性能.%In order to solve the thermal management problem of high power electronic devices, a novel heat pipe(NHP) was designed with ultra-light porous copper foam metal as capillary wick. The effect of heat fluxq and inclination angel of heat pipeθon thermal performance of the NHP was studied using acetone as the working fluid. The differences of thermal performance among NHP, convention heat pipe (CHP) and heat sink (without heat pipe) were compared. The results show that the NHP has not only good heat transfer capability, but also wonderful temperature uniformity. Whenθ=0° and q=117.2 W/cm2, the largest temperature difference between the measuring point is less than 7.0℃, and the center temperature of the heating surface is just 56.2℃. Inclination angle of heat pipe has certain effect on thermal performance of the NHP, and the thermal performance ofθ=0° is better than thatofθ=180°.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)012【总页数】6页(P3400-3405)【关键词】泡沫金属;毛细芯;热管;传热;热性能【作者】李红传;纪献兵;周冬冬;徐进良【作者单位】华北电力大学能源动力与机械工程学院,多相流与传热北京市重点实验室,北京,102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,多相流与传热北京市重点实验室,北京,102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,多相流与传热北京市重点实验室,北京,102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,多相流与传热北京市重点实验室,北京,102206【正文语种】中文【中图分类】TK124随着电子元器件向着微型化、集成化、高功率化方向的不断发展，其单位容积内的产热量急剧增加，如果不能及时散热，将会导致发热元件急剧温升，严重影响着电子元件的稳定性、可靠性及其使用寿命。
泡沫金属换热器压降与换热特性的实验研究
图 ２ 压 差 随 流 速 的 变 化 图
· ９８８ ·
武 汉 理 工 大 学 学 报 （交 通 科 学 与 工 程 版 ）
２０１０ 年 第 ３４ 卷
远大于无泡沫金属的换热器．
级 上 ，无 泡 沫 金 属 的 情 况 下 压 降 几 乎 可 以 忽 略 ．
开孔泡沫金属的内部具有连续贯通的三维多
笛形管测速计，在前端和后端４０ｍｍ 处各安装一 个皮托管，最后通过 Ａｇｉｌｅｎｔ ３４９７０Ａ 数 据 采 集 系 统将数据记录至电脑．
调节风机 的 工 作 档 得 到 ５ 个 不 同 的 气 流 速 度，调节２个变压 器 的 电 压 使 得 换 热 器 入 口 温 度 在一相对稳定的 范 围 内，待 风 机 和 加 热 器 工 作 一
第３４卷 第５期 ２０１０ 年 １０ 月
武 汉 理 工 大 学 学 报 （交 通 科 学 与 工 程 版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２０１０
３．２ 换 热 性 能 分 析 表 １、表 ２ 列 出 了 换 热 器 在 水 流 量 为 ８０Ｌ／ｈ， 室温为３６ ℃的条件下各项运行参数．
表 １ 无 泡 沫 金 属 时 换 热 器 的 参 数 表
气 体 速 度／（ｍ·ｓ－１） ４．１２５ ４．８３２ ４．９５４ ５．８０７ ５．９５０
孔 结 构 ，孔 的 排 列 无 规 则 ，但 孔 密 度 和 孔 隙 率 是 一
定的．管内插入泡 沫 金 属 后 气 体 的 流 动 路 线 发 生
了 极 大 的 改 变 ，流 动 空 间 迅 速 减 小 ，致 使 气 体 流 过
填充泡沫金属并联小通道流动沸腾换热特性研究
填充泡沫金属并联小通道流动沸腾换热特性研究随着微电子技术的快速发展,换热器件越来越趋向于小型化,而单位面积上的换热量却越来越大。
传统的空冷技术由于对流换热的局限性,显然已经满足不了这一要求。
研发一种高性能的微型散热器已经成为一个急需解决的问题。
沸腾换热由于能有效地利用相变潜热,换热效率能得到数倍的提高。
1981年至今,并联微通道中的沸腾换热得到了广泛研究,流动与其换热机理也被进一步揭示。
泡沫金属是一种超轻多孔金属材料,其独特的结构特征,可以极大提高核态沸腾成核率,且增加流体扰动,最终能使换热效率进一步提高。
填充泡沫金属的常规通道中的沸腾换热,已经有学者进行了研究,而微/小通道中的相关研究还未发表。
不同尺度下的流动沸腾特征是否一致、换热系数随各因素的变化规律是否一样以及微/小尺度下的换热模型创建均未得到解答。
本文采用水力直径为2.5mm的并联小通道,填充PPI为10和20的泡沫金属铜,进行了流动与换热特性的实验研究与理论分析。
设计了可视化实验段并搭建了循环回路实验台,通过分析压力信号与温度信号,得到了不同工况下的流型图与换热机理。
然后通过理论计算得到了换热系数影响规律和进口压力的变化规律。
最后通过多项式拟合的方法,创建了新的换热关联式。
在对流型与换热机理进行研究时,采用显微镜与高速摄像机结合的方法,对空管与填充泡沫金属管中的流型进行了拍摄并绘制了不同干度下的流型图。
分析了质量流速,热流密度和泡沫金属结构对流型转变的影响,20PPI下,弹状流/段塞流与环状流的干度边界介于0.04和0.05之间。
在对换热特性进行研究时,通过绘制沸腾曲线,来分析壁面温度与换热机理之间的关系。
同时根据换热系数曲线的变化趋势得到了质量流速、热流密度、干度与泡沫金属结构对换热系数的影响,以为微/小尺度换热器的设计与运行提供理论依据。
在对换热关联式和进口压力进行研究时,将本实验数据与之前的两个有代表性的换热模型进行了对比,并以原换热模型的基本形式为基础,根据当地换热系数的变化趋势,得到了新的换热关联式。
流体在超轻多孔金属泡沫中的流动和换热特性
流体在超轻多孔金属泡沫中的流动和换热特性
纪献兵;徐进良
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2009(060)001
【摘要】以去离子水为冷却液,对其在超轻多孔铜泡沫中的流动和换热特性进行了实验研究.在测定和分析流量、压力降和温度等实验参数的基础上,获取了热流密度、金属泡沫孔密度、液体流量等参数对层流流体流过金属泡沫时的压力降、通道壁面温度、对流换热等特性的影响.结果表明金属泡沫会显著强化对流换热,大大降低通
道的壁面温度,其对流换热能力会随Reynolds数的增大而逐渐增强,最大Nusselt
数可达空矩形通道的13倍,但与空通道相比,金属泡沫通道的压力降显著增大,并随Reynolds数及金属泡沫孔密度的增大而增大.
【总页数】7页(P21-27)
【作者】纪献兵;徐进良
【作者单位】中国科学院广州能源研究所微能源系统实验室,广东,广州,510640;中
国科学院研究生院,北京,100049;中国科学院广州能源研究所微能源系统实验室,广东,广州,510640
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.金属泡沫在纳米流体池内沸腾换热特性研究 [J], 毛玉博
2.SiC-水纳米流体在微小通道中的流动和换热特性 [J], 赵耀华;张艳妮;刁彦华;张冀
3.纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性 [J], 吴信宇;吴慧英;屈健;郑平
4.泡沫铝:新型超轻多孔金属的制备方法与性能 [J], 蒋晓虎;李志军;王辉;何思渊
5.潜热型功能热流体在微矩形槽道中的流动换热特性 [J], 何蔚然;刘东;胡安杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
泡沫铜内空气流动特性的研究
泡沫铜内空气流动特性的研究郭芳芳;张洪涛【摘要】泡沫铜内流体动力学特性对其换热性能影响非常重要.为充分利用泡沫铜的换热性能,通过实验研究了泡沫铜的孔隙率、孔密度对空气流过泡沫铜的压降、渗透系数、惯性系数、雷诺数的影响,以及雷诺数和摩擦系数之间的关系.实验结果表明压降是随着泡沫铜的孔密度的增大而增大,随着孔隙率的增大而减小;渗透系数是随着泡沫铜的孔密度增大而减小,随着孔隙率增大而增大;惯性系数则是随着泡沫铜的孔密度增大而减小,孔隙率的变化对惯性系数则影响较小;而雷诺数约为15～20以下时,摩擦系数是随雷诺数增大而增大.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)020【总页数】4页(P186-189)【关键词】泡沫铜;压降;渗透系数【作者】郭芳芳;张洪涛【作者单位】江西科技学院,南昌330098;中南大学,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TB383开孔泡沫金属是一种多孔结构的材料，具有比表面积大、比强度高以及内部孔结构复杂等特点。
流体在其内部流动能有效增加流体与固体泡沫的接触面积、增强流体的扰动，从而使换热性能明显加强。
基于上述特点，近年来开孔泡沫金属在很多领域得到广泛的应用，如催化载体、空气电池、生物材料等[1,2]。
尤其开孔泡沫金属广泛应用于制作热交换器及散热器、制备热管理器件，且泡沫铝材料应用居多。
泡沫金属用于热管理领域，主要考虑泡沫金属的比热、热膨胀系数、热导率、热震性能及流体在其中的流动特性等，同时由于铜的热导率很高，有利于热量传递与交换，因此，本文以泡沫铜材料及空气流体作为研究对象，对影响其换热性能的重要因素即流体动力学特性，做了较为系统的研究。
1 实验1.1 实验装置为了测试泡沫铜的孔密度和孔隙率对空气泡沫铜内产生压降的影响，设计了一套压降测试实验装置，如图1所示。
实验装置是结合相关文献[3—5]以及风洞设计的经验数据进行设计，装置主要由吸风系统、压降测试部分、流体流速测试部分和试验管道等部分组成。
金属泡沫圆管换热器性能的数值模拟与分析
金属泡沫圆管换热器性能的数值模拟与分析近年来，金属泡沫圆管换热器一直是能源利用技术领域的研究热点，因具有高热传导性、耐腐蚀、高强度和体积轻等优点，可大大提高热换的效率。
目前，关于金属泡沫换热器的研究主要集中在实验室实验和理论分析上，但是，在非稳态下，实验数据是有偏差的，而且这种试验会耗费大量的时间和金钱，而真正的换热器在实际应用中更加复杂。
因此，数值模拟和分析对于研究金属泡沫换热器性能十分重要。
在数值模拟中，建立一个计算模型，用以分析金属泡沫圆管换热器的性能，是本文的主要任务。
根据实验，换热器的性能主要涉及四个方面：热传导、流体流动、温度场和换热效率。
在模拟建模方面，采用基于Comsol Multiphysics的结构模型，对金属泡沫圆管换热器的热传导和流动特性进行模拟和分析，以获得金属泡沫圆管换热器的性能指标。
首先，在Comso Multiphysics中，根据实际情况建立金属泡沫圆管换热器的模型，并按照实际情况绘制结构图；其次，使用有限元方法，对换热器的热学性能进行模拟和分析，以获得一系列的性能参数，包括换热器的整体热传导系数、传热向量和换热效率等；最后，根据获得的模拟结果，建立温度场模型，并根据模拟结果分析金属泡沫圆管换热器的性能。
实验表明，随着金属泡沫圆管换热器的尺寸和结构参数的变化，换热器的性能也会发生变化，特别是换热效率会非常显著地变化。
从实验结果来看，在金属泡沫换热器的结构参数设计中，需要考虑孔隙尺寸、热流凝结比率和管径等参数，以获得最佳的换热效率。
综上所述，数值模拟和分析对研究金属泡沫圆管换热器的性能发挥着重要的作用，可以从多方面分析换热器结构和热特性。
另外，实验结果还表明，正确掌握金属泡沫换热器参数设计，可以提高换热效率。
本文的研究结果可以为类似研究领域提供参考，也为相关热换技术的改进提供理论依据。
总之，本文通过数值模拟和分析，分析了金属泡沫圆管换热器的性能，结果表明金属泡沫换热参数设计的合理性及其对换热效率的影响，为金属泡沫换热技术的进一步开发提供了理论依据。
冲击泡沫金属强化换热研究
No. 1, 2021(Vol.40 Total No. 154)REFRIGERATION8文章编号：ISSN 1005 - 9180 (2021) 01 - 0008 - 07冲击泡沫金属强化换热研究许改云(太原学院，山西太原030000 )［摘要］为分析冲击泡沫金属强化换热的换热机理和换热效果，采用计算流体动力学(CFD )和Tecplot 等后处理软件。
泡沫金属的高度h,孔隙率g,材质是变化的参量，换热面的换热系数，Nu 数，摩擦系数(Cf),不同等值线的速度分布和温度分布，流道内的流线分布，泡沫金属的温度分布是研究对象。
分析后得出，泡沫金属高度越小换热系数越大，摩擦系数越大，孔隙率越小Nu 数越大，在泡沫金属材质为铜时， Nu 数最大。
当泡沫金属高度h=2cm,孔隙率£=0.9,泡沫金属材质为铜时，冲击泡沫金属会在热源表面产生 最优的换热效果。
［关键词］射流冲击；泡沫金属；强化换热；CFD ［中图分类号］TB61+1［文献标志码］A doi ： 10. 3969/J. ISSN. 1005-9180. 2021. 01. 002Numerical Investigation of Heat Transfer in Metallic FoamSubjected to Impinging JetXU Gaiyun(Taiyuan University, Taiyuan City, Shanxi Province, 030000, China)Abstract: In order to analyze the thermal mechanism and heat transfer effective in metal foam subject to impinging jet.The computational fluid dynamics (CFD) and Tecplot are employed to handle with these problems, the metal foam heighth, porosity s , the material are various parameters. The heat transfer effective at heat resource surface, the Nusselt number (Nu), the skin friction factor (Cf), the velocity and temperature distribution, the streamline distribution inchannel and the metal foam temperature distribution are the object of study. It is concluded that, the heat transfercoefficient and the skin friction coefficient are increased with the decreased metal foam height (h), the Nu number isdecreased as the increased porosity when the metal material is Cu. The optimal heat transfer effect can be producedwhen the metal foam height h 二2cm, porosity £ =0.9, the copper foam metal are used in case of heat transfer in metallicfoam subject to impinging jet.Key words: Impinging Jet; Metal Foam; Forced Convection ; CFD收稿日期：2020-11-13作者简介：许改云（1991-）,女，助教，硕士研究生，喷射制冷及强化传热。
泡沫金属结构对流动沸腾换热特性的影响
第42卷第3期2021年6月Vol.42,No.3June,2021泡沫金属结构对流动沸腾换热特性的影响文章编号:0253-4339(2021)03-0073-04doi：10.3969/j.issn.0253-4339.2021.03.073泡沫金属结构对流动沸腾换热特性的影响胡海涛赖展程赵雅鑫李孟山(上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240)摘要随着航空航天领域的发展采用沸腾换热的高效换热技术越来越受到关注，泡沫金属具有比表面积大、导热系数高的优点，可以强化流动沸腾换热的效果。
本文在实验工况为孔密度10~40PPI，干度0.1~0.9，质流密度90~180kg/(m2•s),热流密度12.4~18.6kW/m2的条件下，研究了表面润湿性为未改性和疏水改性的泡沫金属管内制冷剂流动沸腾换热的情况。
结果表明：40PPI泡沫金属管比10PPI泡沫金属管的沸腾换热表面传热系数最多增大了96%；随着干度、质流密度和热流密度的增大,泡沫金属管内流动沸腾换热表面传热系数最多分别增大74%、95%以及48%；疏水改性增加了泡沫表面的成核点数，与未改性相比可以使传热系数增大10%~30%o关键词流动沸腾;泡沫金属;孔密度;换热中图分类号:TK124；TB64文献标识码：AEffect of Metal Foam Structure on Flow BoilingHeat Transfer CharacteristicsHu Haitao Lai Zhancheng Zhao Yaxin Li Mengshan(Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200240,China)Abstract With the development of aeronautics and astronautics,more and more attention has paid to efficient heat transfer inside a tube. Metal foam has a large specific surface area and high thermal conductivity,which are suitable for enhancing the flow boiling heat transfer. In this study,the effect of the metal foam structure on the flow boiling heat transfer in tubes was studied experimentally.The experimental conditions covered a pore density of10-40pores per inch(PPI),vapor quality of0.1-0.9,mass flux of90-180kg/(m2•s),and a heat flux of12.4-18.6kW/m2,and the wettability of the hydrophobic or uncoated surfaces.The experimental results show that the heat transfer coefficient of the40PPI metal foam tube is up to96%higher than that of the of the10PPI metal foam tube.With an increase in vapor quality,mass flux,and heat flux,the flow boiling heat transfer in the metal foam filled tube is increased by a maximum of74%,95%, and48%,respectively,and hydrophobic modification increases the number of nucleate sites on the metal foam surface,resulting in a heat transfer enhancement of10%-30%.Keywords flow boiling；metal foam；pore density；heat transfer强化传热是航空航天领域的重要问题=2］。
泡沫金属结构对池沸腾换热特性的影响
关键词 泡沫金属ꎻ结构ꎻ池沸腾ꎻ换热
中图分类号:ＴＫ１２４ꎻＴＢ６１ ＋ １
文献标识码: Ａ
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｆｏａｍ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｎ Ｐｏｏｌ Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
Ｈｕ Ｃｈｅｎｙｕ Ｌａｉ Ｚｈａｎｃｈｅｎｇ Ｈｕ Ｈａｉｔａｏ Ｈａｎ Ｗｅｉｚｈｅ
系数提升了 ２６ ４％ꎻ随着厚度增大ꎬ泡沫金属池沸腾换热先增强后减弱ꎻ孔隙率为 ０ ９０ 泡沫金属比 ０ ９５ 泡沫金属最大表面传热
系数高 １３ ２％ꎮ 根据实验结果ꎬ开发了制冷剂在不同结构泡沫金属表面池沸腾传热关联式ꎬ关联式与 ９５％ 实验数据的误差在±
３０％以内ꎬ平均误差为 １２ ２％ꎮ
用ꎮ 泡沫金属具有金属材料的高导热率特点ꎬ因其高
表面传热系数ꎬ但在泡沫金属厚度达到 ３０ ｍｍ 时ꎬ由
表面传热系数ꎬ在制冷空调系统换热器中具有重要应
孔隙率和复杂的几何结构而具有超大比表面积
[１]
ꎬ
能够有效提高传热面积 [２－３] 、减小边界层热阻 [４] 、增
加发泡点 [５] ꎬ 有 望 成 为 强 化 沸 腾 换 热 的 重 要 材 料ꎮ
ｍｅｎｔａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ. Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｐｐｅｒ ｆｏａｍｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｒｅ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ (５－４０ ＰＰＩ) ꎬ ｐｏｒｏｓｉｔｉｅｓ (０ ９０ ａｎｄ ０ ９５) ꎬ ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓ￣
ｓｅｓ (４－８ ｍｍ) . Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｕｒｆａｃｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｂｙ ２６ ４％ ａｓ
金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究1
西安科技大学硕士学位论文金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究姓名：秦江涛申请学位级别：硕士专业：安全技术及工程指导教师：赵建会@论文题目：金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究专 业：安全技术及工程硕士生：秦江涛 （签名） 指导教师：赵建会 （签名）摘 要随着工业装备技术和航空航天科技的迅猛发展，高性能工程材料的设计与制备变得更为重要。
开孔金属泡沫作为超轻多孔金属材料的一种，因其密度小，比表面积大，骨架结构部分热传导系数高，并具有较好的冷媒介质流动性能，经常被用作航空设备中的紧凑型热交换器和大功率电子设备的散热装置中。
集成化、小型化和功率密度不断增加是电子设备发展的趋势，然而散热问题成为制约其发展的主要瓶颈之一。
合理优化设计电子设备的散热装置，改善电子设备内部流场，从而有效的降低关键元器件的温度，提高电子设备的稳定性和使用寿命，成为电子设备设计人员广泛关注的课题。
本文设计并搭建了用于电子器件散热的金属泡沫填充式散热器性能实验研究系统，对空气流过金属泡沫散热器的对流换热进行了实验研究，所研究的金属泡沫为孔隙率为30ppi的泡沫铜、30ppi泡沫铜镍和70ppi的泡沫镍。
研究了相同孔隙率下；不同空气流速、不同孔密度金属泡沫填充式电子散热器件的散热性能。
研究结果表明：随着流速的增大，空气流经金属泡沫填充式电子散热器件的对流换热能力增大，在摩擦阻力增大的同时平均对流换热系数也增大，而功率对对流换热强度的影响很小；70ppi金属泡沫镍填充的电子散热器件因其具有较大的比表面积，因而散热性能瞬态散热效果优于30ppi金属泡沫镍和30ppi金属泡沫铜镍填充电子散热器件；在给定的流速下，由于30ppi金属铜和30ppi铜镍的孔径的阻力降远远小于70ppi金属泡沫镍；在同样阻力降的条件下，70ppi金属泡沫填充式散热器的散热性能不如30ppi 金属泡沫散热器；且30ppi金属泡沫铜的导热性能优于30ppi金属泡沫铜镍；经对比分析，30ppi金属泡沫铜填充式电子散热器件的综合换热性能最好。
湿工况下泡沫金属内换热和压降的数值模拟和实验验证
湿工况下泡沫金属内换热和压降的数值模拟和实验验证翁晓敏;高扬;许旭东;庄大伟;胡海涛;丁国良【摘要】The application of metal foam in the airside of heat exchanger has the potential to improve the heat transfer performance under wet conditions. In order to know the heat, mass transfer and pressure drop characteristics of wet air in metal foam, numerical models for water droplet formation, growth and movement are developed. The mass transfer rate model for droplet formation is based on the heterogeneous nucleation rate and critical nucleation radius of droplet; the mass transfer rate model for droplet growth is based on the species conservation of water vapor on phase interface between the droplet and moist air; the contact angle model of the droplet under combined effects of gravity and air forces is based on the force analysis of droplets on the ligament. The models of mass transfer rate during water droplet formation and growth processes and the model of contact angle are reflected in the continuity, momentum and energy conservation equations as the mass source term and momentum term, which realizes the simulation for the water droplet formation, growth and movement processes in metal foam. The experimental validation of the proposed model shows that, the maximum deviations of the heat transfer rate and pressure drop between the simulation results and experimental data are 11.9% and 17.7%, respectively.%泡沫金属应用到换热器空气侧有望提高析湿工况下的换热性能。
湿空气在泡沫金属内析湿过程的换热与压降特性影响因素分析
（ 上海交通大学制冷与低温工程研究所 ，上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０ ）
摘要 ：实验研 究了湿 空气在泡 沫金属 内流动析湿过程的换热和压降特性，分析了不同因素的影 响规 律。研究结果 表 明：随着入 口空气相对湿度 的增 大，凝结 水增 多，使泡沫金属 的换热量和压 降均增大 ；当入 口相对湿度从 ５ ０ ％ 增大到 ９ ０ ％时 ，换热量和压 降最大增加 了 ６ ７ ％￣ Ｉ １ ６ ２ ％；随着入 口空气温度的升高 ，泡沫金属换热量和压降增大； 随着冷却水温度的升高 ，泡沫金属的换热量和压降均下降 ；随着孔密度的增大 ，压降增大 ，但 由于受到凝结水影 响，总换热量会 先减小后略有增大；泡沫金属的迎风高度越大，总换热量和压降越大。
第６ ６卷 第 ５期 ２ ０ １ ５ 年 ５ 月
化
工 学
报
Ｖｂ１ ． ６６ Ｎ Ｏ． ５
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湿 空气在泡沫金属 内析湿过程 的换热 与压 降特性影 响因素分析
关键词：泡沫金属 ：湿空气 ；流动；析湿 ；传热 ；压降 ；实验验证
ＤＯＩ ．１ ０ ． １ １ ９ ４ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ４ ３ ８ － １ １ ５ ７ ． ２ ４
文献标志 码：Ａ
文章编号 ：ｏ ４ ３ ８ —１ １ ５ ７（ ２ ０ １ ５ ）Ｏ ５ 一ｌ ６ ４ ９ —０ ７
ｒｏ ｄ ｐ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ． Ｈｅ ａ ｔ ｔ ｒ ｎｓ ａ ｆ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｒｏ ｄ ｐ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ｗｉ ｈ ｔ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ， ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ
基于场协同原理的泡沫金属热沉流动换热特性模拟
基于场协同原理的泡沫金属热沉流动换热特性模拟张东辉;吴明发;张凤梅;孔为【摘要】泡沫金属具有非常大的比表面积和良好的导热性能.为研究不同冲刷方式下泡沫金属的换热特性,建立三维矩形泡沫金属换热模型.通过数值模拟,分析两种不同冲刷方式对泡沫金属热沉特性的影响,以及泡沫金属孔隙率、孔密度、流速对其换热性能的具体作用.模拟结果表明:垂直冲刷方式下,加热面温度均匀性、系统热阻和表面换热系数等换热特性明显优于水平冲刷方式,这与场协同原理是基本吻合.其受热面温度分布均匀性也优于水平冲刷,这是由于在垂直冲刷下,温度场与流场的协同特性得以很大改善所致.文中研究范围无论何种冲刷方式,泡沫金属热沉的换热性能受孔隙率影响较大,孔密度的影响次之,但孔隙率和孔密度对系统压降均起很大作用,流动阻力也随之增大;在相同的孔密度和来流流速条件下,随着孔隙率的增加,Nu 数先增大后减小,存在最优孔隙率,当孔隙率处于0.7～0.8范围时,两种冲刷方式下换热性能最好.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(030)001【总页数】6页(P45-50)【关键词】泡沫金属;对流换热;场协同原理【作者】张东辉;吴明发;张凤梅;孔为【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】TK223.3下一代电子芯片的散热热流密度将会超过100 W/cm2数量级.传统的肋片散热方式难以处理如此高的热流密度，因此研究更有效的紧凑型散热器变得非常重要，它在性能方面主要有3个方面的要求：①流动阻力损失小，从而泵功消耗变小；②冷却换热速率高；③温度分布均匀性好.为进一步增加紧凑式换热器的传热面积密度，可应用微通道换热器等，但其制造成本非常昂贵.以多孔金属作为传热媒介的换热器，由于性价比高以及加工制造的相对方便，已成为第五代散热器的重要侯选对象.这就涉及多孔金属流动换热特性的研究［1－2］.在泡沫金属水冷换热实验研究方面，文献［3］以水为冷却介质，泡沫铝样品大小为长40 mm，宽40 mm，厚2 mm.实验进行的体积流量分别为（0～60 L/h）和（60～300 L/h），相应流速分别为（0～0.21 m/s）和（0.21～1.04 m/s），研究发现：孔隙率在0.7～0.8左右和孔密度在40～60 ppi时，流动阻力和换热性能达到最佳的平衡点，其综合性能高出现有的板式换热器约一倍左右.文献［4］针对0.88孔隙率的泡沫铜，孔密度分别为30，60，90 ppi，研究发现：多孔金属流动换热最大Nu数可达空矩形通道的13倍，但与空通道相比，泡沫金属通道的压力降显著增大，其样品尺寸长52 mm，宽8 mm，厚3 mm，流动工质为水，当加热功率32 W/cm2和质量流量是13.6 L/h时，加热壁面中心温度比光管降低了30℃，此实验的流动Re数为100～1 700之间.文献［5］对比了不同孔隙率和孔密度的泡沫铜的散热性能，其孔隙率为0.6、0.7、0.8和0.9，孔密度分别为60和100 ppi，将泡沫铜粘合在铜板上构成散热器，研究发现：对于孔隙率0.8、孔密度为60 ppi的泡沫铜热沉，在流量为36 L/h时，热阻可达到0.3 K/W，而压降则为10 kPa；而对于孔隙率0.9、孔密度为100 ppi的泡沫铜热沉，热阻可达到0.35 K/W.上述优选的泡沫金属散热综合性能甚至超过一般的微通道散热器，但其在水冷系统实验中，水流方向平行于换热面，依据场协同原理，在速度场、温度梯度分布一定的条件下，二者之间的夹角（场协同角）影响对流传热强度，夹角越小，传热强度愈高，水流流动方向与温度梯度方向呈90°左右，这对于换热强化并非有利.文献［6］提出了垂直冲刷带装满玻璃球的加热面新的冷却方式，研究结果表明：当水流方向平行于带多孔介质的换热面时，Nu数与Re数0.5次方成正比；若改为垂直冲刷，Nu数近似与Re数一次方成正比，这大大改善了水冷换热效果.依据场协同原理，垂直冲刷情况下，水流流动方向与温度梯度方向呈0°左右，这是非有利于流动换热的强化.但文献［6］中实验采用的是导热性能不佳的玻璃球，如改用导热性能极佳的泡沫金属，会进一步提高水冷换热效果.目前泡沫金属模拟研究主要有两类方法：连续介质模型和非连续介质模型.①连续介质模型通过定义微元控制体积，忽略具体孔隙结构分布和复杂固体边界面的影响，求解包含平均孔隙率的Navier-stokes方程组（质量守恒、动量、能量方程），但因结构的概化，难以清晰考虑结构与宏观特性的关联.文献［7］在均化孔隙结构的假设上，采用有限差分法，对泡沫金属的流动换热性能进行了模拟；文献［8］对周期性的网状泡沫金属结构，采用软件进行类似的分析.②非连续介质模拟主要以泡沫金属的微观结构信息为基础，文献［9］应用相应泡沫金属样品的结构信息对其渗透率进行了测算，并与实验进行了比较；文献［10］在结构信息的基础上对质扩散率与热扩散率进行了模拟分析；文献［11］通过数值模拟分析了空气流过泡沫金属的热性能.非连续介质模拟方法尽管计算精度大大提高，但是泡沫金属样品结构信息的获取却代价昂贵，且对于尺寸较大的样品，为保证计算精度，需极高的存储量等.而连续介质模拟方法相对简易，因而仍被广泛应用，例如Ansys-Fluent软件的Porous模块也基于这种方法.在实际中一般都是采用与加热面平行的入流方向，但根据场协同原理，如果将入流与加热面垂直布置，可能会获得更佳的冷却效果.文中采用Ansys-Fluent模拟软件，系统研究了入流方向、水流流速、孔隙参数（孔隙率和孔密度）对热沉热阻、压降以及加热面温度均匀性的的具体影响，为其实验研究和应用打下基础.两种不同入流方式下泡沫金属热沉三维计算模型如图1，计算区域为矩形泡沫金属，尺寸为12 mm（长）×12 mm（宽）×2 mm（高）.图1a）为垂直冲刷，水由下表面进，然后左右面流出，速度为u的强迫流动；图1b）为水平冲刷，水从由左面进，然后从右面流出.水流入口温度设为300 K，上表面为加热面，加热功率为100 W.模拟中采用如下假设：1）由于流体流动是强迫对流，忽略其自然对流效应，同时忽略骨架之间的热辐射效应；2）泡沫金属是均匀且各向同性的，流体换热过程中不发生相变.由于泡沫金属对水流的强烈扰动，使得流动在很小的Re数下就转为湍流状态，因而模拟中采用湍流模型，相应的控制方程［12］如下：采用标准k－ε方程对上述主控方程中脉动项进行封闭：模拟网格数为105，并进行网格无关性检验.由于加热面附近速度梯度和温度梯度均非常大，因此网格需在加热面附近进行加密.速度压力耦合求解采用SIMPLE算法，离散方程采用有限容积法和二阶差分格式，各计算量相对误差控制在10－5以内.水在泡沫金属内的流动阻力主要包括两部分：摩擦阻力和惯性阻力，由修正达西公式［13－14］给出：式中：K为渗透率，CF为惯性系数，相关参数参见文献［5］，如表1.2.1 水流流速对泡沫金属热沉性能的影响不同入口流动方向对受热面温度分布会产生很大影响，图2模拟中的上端面为加热面.虽然垂直冲刷模式下（图2b））受热面的最高温度略高于水平冲刷，但其温度分布均匀性明显优于水平冲刷模式.水平冲刷模式下，加热板温度从左到右逐渐升高，这与通常的规律是一致的；而在垂直冲刷模式下（图2a）），加热板高温区温度分布呈“双酒杯型”.泡沫金属中心纵切面温度分布如图3.在垂直冲刷模式下（图3a）），可以清楚地看到：温度梯度的方向由下至上，与入口流场方向夹角几乎成0°左右，根据场协同理论，温度场和速度场的协同非常好，场协同角几乎在0°左右，因此有利于对流换热强化；而在水平冲刷模式下（图3b））可以看到温度梯度的方向是近似于水平方向，与入口流场方向夹角约成90°左右，根据场协同理论，场协同角越小，换热强度越好，但在此种冲刷方式下，温度场和速度场的协同并不太好，故对流换热强化效果受到削弱.两种冲刷模式（1—垂直冲刷，2—水平冲刷）下热阻随流速的变化关系如图4，泡沫金属样品孔密度分别为60 ppi和100 ppi（孔隙率是0.9）.由图4可以看到：当增大冷却水流速，泡沫金属热沉热阻减小，换热器换热性能提高；但当冷却水流速大于0.6 m/s时，热阻趋于稳定值，而流动阻力却在不断上升，所以单纯依靠增大流速的方法来提高热沉热阻并不可行.在同样的孔隙率下，孔密度对热阻影小较小，孔密度的增大会使热阻略有下降，但却造成流动阻力的迅速上升，因而会存在最优值.由图4可以得出：垂直冲刷方式下的热阻明显小于水平冲刷，热沉室的换热性能明显优于水平冲刷.压降随流速的变化关系则如图5.随着流速的增大，压降几乎是呈线性增加；相同孔隙率条件下，孔密度越大（即孔径越小），比表面积越大，压降越大；因此对流换热系数的提高，是以压损增加为代价的，这意味着泵功损耗也增大.如图6为换热Nu数随Re数的变化关系，泡沫金属样品孔密度仍然分别为60 ppi 和100 ppi（孔隙率是0.9）.从图中可以看到，Nu数随着Re数的增加而增大，说明其换热性能的升高，且相比水平冲刷，垂直冲刷情况下Nu数上升更快.在相同的冲刷方式下、同一孔隙率、同一Re数下，随着孔密度ppi的增加，换热器的换热性能升高，是因为金属泡沫固体骨架的直径相应减小，引起流体和固体界面之间的比表面积增加，从而强化了流体和固体之间的换热.从图6可以得出：垂直冲刷时的换热性能明显优于水平冲刷时换热器的换热性能.其中Nu数和Re数的定义为：式中：kf为流体导热率；u为水流在空通道中的流速；U为达西流速；ppi为泡沫金属的孔密度；ε为孔隙率；d为泡沫金属的骨架直径，由文献［15］给出.2.2 孔隙率的影响泡沫金属热沉的热阻随孔隙率的变化趋势如图7，入口水流流速为0.1 m/s.相同孔密度下，热阻随孔隙率的增大而增大，但垂直冲刷热阻明显小于水平冲刷，这是由于在垂直冲刷下温度场与速度场的协同状态更佳所致.由图8的模拟结果可以发现：压降随孔隙率的增大而减小，在60 ppi孔密度下，垂直冲刷情况下的压降明显与水平冲刷非常接近，只是略高于后者；但在100 ppi孔密度下，垂直冲刷压降较水平情况高出很多.不同的孔密度对换热特性影响较小，但对压降影响较大，相同孔隙率下，孔密度越大（孔径小），泡沫金属压降越大.由图9可见，相同孔密度条件下，Nu数均随着孔隙率的增大先增大后减小.这是因为孔隙率过小或过大意味着固体骨架比例减少，单位体积的比表面积变小，导致换热能力的下降；然而随着孔隙率的增大，泡沫金属的换热有一最大值，当孔隙率为0.8时，泡沫金属的换热性能最好.针对泡沫金属热沉，文中对比分析了不同冲刷方式的流动换热性能，结论如下：1）垂直冲刷方式下泡沫金属的换热性能明显优于水平冲刷方式，其受热面温度分布均匀性也优于水平冲刷，这是由于在垂直冲刷下，温度场与流场的协同特性得到很大的改善；2）文中研究范围内，无论何种冲刷方式，泡沫金属热沉的换热性能受孔隙率影响较大，孔密度的影响次之，但孔隙率和孔密度对系统压降均起很大作用，流动阻力也随之增大；3）在相同的孔密度和来流流速条件下，随着孔隙率的增加，Nu数先增大后减小，存在最优孔隙率，当孔隙率处于0.7～0.8范围时，两种冲刷方式下换热性能最好. 综上所述，与水平入流方式相比，在垂直入流方式下，由于温度场和速度场的协同特性更好，场协同角更小，因此泡沫金属热沉散热冷却性能得以很大提升，这为其在实际领域的应用打下了基础.【相关文献】［1］卢天健，周期性多孔金属材料的热流性能［M］.北京：科学出版社，2010.［2］张东辉，石珊，王军，等.串列双圆柱绕流换热特性的数值研究［J］.江苏科技大学学报（自然科学报），2014，28（6）：563－569.ZHANG Donghui，SHI Shan，WANG Jun，etal.Simu-lation on convection heat transfer of in-line cylinders［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology（Natural Science Edition），2014，28（6）：563－569.（in Chinese）［3］BOOMSMA K，POULIKAKOS D，ZWICK F.Metal foams as compact high performance heat exchangers［J］.Mechanics of Materials，2003，35：1161－1176.［4］纪献兵，徐进良.流体在超轻多孔金属泡沫中的流动和换热特性［J］.化工学报，2009（60）：21－26.JI Xianbing，XU Jinliang.Fluid flow and heat transfer characteristics in ultra-light porous metal foam［J］.Journal of the Chinese Chemical Society，2009（60）：21－26.（in Chinese）［5］ZHANG H Y，Fluid flow and heat transfer in liquid-cooled foam heat sinks for electronic packagess［J］.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2005，28（2）：272－279.［6］ZHAO T S，SONG Y J.Forced convection in a porous medium heated by a permeable wall perpendicular to flow direction：analyses and measurements［J］.Inter-national Journal of Heat and Mass Transfer，2001（44）：1031－1037.［7］陶文铨，传热与流动问题的多尺度数值模拟［M］.北京：科学出版社，2009.［8］王晓鲁，姜培学.泡沫金属与板翅结构强化换热研究［J］.工程热物理学报，2008，29（1）：121－123.WANG Xiaolu，JIANG Peixue.Investigation of con-vection heat transfer in metal foams and mini-fin struc-ture［J］.Journal of engineering thermophysics，2008，29（1）：121－123.（in Chinese）［9］BEUGRE D，CALVO S，DETHIE ttice Boltz-mann 3D flow simulations on a metallic foam［J］.Journal of Computational and Applied Mathematics，2009，doi：10.1016/j.cam.2009.08.100.［10］JEONG Namgyun，CHOI Do Hyung，LIN Ching-long.Estimation of thermal and mass diffusivity in a porous medium of complex structure using a lattice Boltzmann method［J］.International Journal of Heat and mass Transfer，2008，51：3913－3923. ［11］ANDREA D，KARTIK K B，LUISA R，et al，Numeri-cal analysis of air flow through metal foams［J］.Ener-gy Procedia 2014（45）：645－652.［12］陶文铨.数值传热学［M］.2版.陕西西安：西安交通大学出版社，2001：1－10. ［13］Hunt M L，Tien C L.Effects of thermal dispersion on forced convection in fibrous media［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1988（31）：301－309. ［14］CALMIDI V V，MAHAJAN R L.Forced convection in high porosity metal foams，［J］.Heat Transf，2000（122）：557－565.［15］Calmidi V.Transport phenomena in high porosity metal foams［D］.Boulder：University of Colorado，1998.。
孔密度对泡沫金属内湿空气的换热与压降特性影响分析
孔密度对泡沫金属内湿空气的换热与压降特性影响分析翁晓敏;胡海涛;赖展程;庄大伟;丁国良【摘要】The heat transfer and pressure drop characteristics of wet air in metal foams with different pore density were experimentally investigated, and the comprehensive performance of metal foam heat exchangers was analyzed. The test sample is copper foam, the PPI value of the tested metal foam covers 5—40 and the porosity is 95%. The results showed that the heat transfer coefficient increased initially and then decreased with the increase of PPI values due to the presence of the condense water. It reached up to the maximum value as the pore density was 15 PPI. The pressure drop increased with increasing pore density and the increment was more obvious as PPI value was higher than 20. The comprehensive performance was the best for the metal foam with 15 PPI by considering both the heat transfer coefficient and pressure drop.%通过实验研究，得到不同孔密度的泡沫金属内湿空气的换热和压降特性，并对泡沫金属换热器综合性能进行了分析。
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第５ 期
张 国立 ， ： 沫 金属 换 热 器 压 降 与 换 热 特 性 的 实 验 研 究 等 泡
・９ ７ ・ ８
台变 压 器 的 型 号 相 同 ， 压 范 围 为 ０ ２ ０Ｖ ， 调 ～ ５ 最 大 电 流 为 １ 通 过 调 节 变 压 器 的 电压 可 以 可 以 ２Ａ．
属的 自然对 流进 行 了实验 和数 值 模 拟分 析 ． ｈ — Ｐ ａ ｎ ｒ
研究 。 ． ｚ等 ＿ Ｗ Ａｚｉ 】 喷 气 发 动 机 中 应 用 泡 沫 金 对
… 垂
图 １ 实 验 系统 示 意 图
属 的压 降与传 热 特性 进 行 了研 究． 文将 泡 沫 金 本 属插入 圆形管 道 内使其 成 为 热 量 的载 体 ， 过 管 通 道 外 的冷却水 来 降低 流 经泡沫 金属 的高 温气体 的
泡 沫金 属换热 器 排 气 降温 的系 统 ， 不 同条 件 下 对 泡 沫金属 换热 器 的阻力 特性和 换热 特性进 行 了测
试． 最终 得 出了泡沫 金属换 热器 的工 作特 点．
置能 够得 到充 分 的加 热 ， 高温 度 可 达 １ ０℃． 最 ９ ２
收稿 日期 ：０ ００ ５ ２ １—５１ 张 国立 （ ４ ： ， 士 生 ， 要研 究 领 域 为 传 热 传 质 及 热 流体 力 学 １ ８ 一）男 硕 ９ 主
第 ３ ４卷 第 ５期
２１ ０ ０年 １ Ｏ月
武汉 理工大 学学 报 （ 通科 学与工 程版 ） 交
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｕ ａ ｎ ｖ ｒ ｉ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｆＷ ｈ ｎ Ｕ ｉ ｅ ｓｔ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ ｙ
（ ａ ｓ ｏ ｔｔ ｎ Ｓ ｉｎ ｅ＆ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ） Ｔｒ ｎ ｐ ａｉ ｃｅ ｃ ｒ ｏ ｇｎ ｅ ｉｇ
加 ． 析 了泡 沫金 属换 热 器 产 生 压 降及 换 热 性 能 提 高 的主 要 原 因 ． 分
关键词 ： 泡沫 金 属 ； 降 特 性 ； 热 特 性 ； 热 器 压 换 换
中 图法 分 类 号 ： ＴＫ１ ４ ２ Ｄ Ｉ １． ９ ３ｊｉ ｎ １０ －８ ３ ２ １ ．５ ０ ２ Ｏ ： ０ ３ ６ ／ ｓ ． ０ ６２ ２ ． Ｏ ０ ０ ． ３ ． ｓ
笛形 管测 速计 ， 在前 端和 后端 ４ ０ｍｍ 处 各 安装 一 个皮托 管 ， 最后 通过 Ａｇｌｎ ４ ７ Ａ 数据 采 集 系 ｉ ｔ３ ９ Ｏ ｅ 统将数 据记 录至 电脑 ． 调 节风 机 的工 作 档 得 到 ５个 不 同 的气 流 速 度 ， 节 ２ 变 压 器 的 电压 使 得换 热 器 人 口温度 调 个 在 一相 对稳 定 的范 围 内 ， 风 机 和加 热 器 工 作一 待 段 时 间后流 动和换 热达 到稳 定再 开始 数据 采集．
Ｖ０ ． ４ ＮＯ ５ Ｉ３ ．
Ｏｃ ． ２ ０ ｔ ０１
泡 沫 金属 换 热 器 压 降 与换 热 特 性 的实验 研 究 ＊
张 国立 杨 立 孙 丰瑞
（ 军 工 程 大 学 动 力 工 程 系 武 汉 海 ４０３） ３ ０ ３
摘 要 ： 研究 泡 沫 金属 应 用 于换 热 器 的 压 降 与 换 热 特 性 ， 立 了 一 整 套 用 于 测 试 泡 沫 金 属 换 热 器 为 建 的 实验 系统 ． 验 结 果 表 明孔 密 度 为 ２ Ｐ Ｉ孔 隙 率 为 ９ 的 泡 沫 铜 应 用 于 换 热 器 时 换 热 性 能 有 实 ０ Ｐ、 ｏ 了很 大 的提 高 ， 相 同人 口温 度 条 件 下 温 降 约 为 光 管 时 的 ３ ４倍 ， 时 压 降 也 有 一 定 程 度 的增 在 ～ 同
性能 与传统翅 片 做 了比较． ａａ 等 最 近 对金 属 Ｓ ｌｓ 泡沫沿 流动 方 向 的厚 度进 行 了研 究 ． ｕ等 对 Ｌ
１ ２种钢合 金 和 铜 合金 金属 泡 沫 中 的空 气 冷 却对 流换 热 器 进 行 了 实 验 及 理 论 研 究．Ｂ ｏ ｍａ ｏ ｍｓ 等ｌ ６ 以水 为冷 却介 质 ， 。 在强 制 对 流 的情 况 下 ， 对 不 同 的 泡 沫 金 属 样 品 的 换 热 情 况 进 行 了 比较 ． Ｚａ ｈ ｏ等 在 真空 和常压 环境 下 ， 对不 锈 钢泡 沫 金
特性 和 传 热 特 性 受 多 种 因 素 的 影 响． ｒ ｓ ｉ Ｃ ｏ ｎｅ ｒ 等＿ 对孔 径不 同 的泡沫金 属 的阻力特 性进 行 了试 】 验 ． ｍ 等 Ｋｉ 纠以水为 冷 却介 质 对 泡 沫 金属 翅 片 的 摩擦 阻力进行 了研 究 ， 铝 金属 泡 沫 翅 片 的换 热 对
作档 ， 根据 实验 需 求 可 以通 过 调 节 风 机 的档 来 达
到不 同 的气 体 流 速 ． 电加 热 器 的 额 定 功 率 为 ４ ｋ ， Ｗ ２个 电加热 器 由 １ ０个 电加热 丝 组 成 ， 电加 热 装置 采用循 环 型 的流 道 布 置 ， 体 流 经此 加 热装 气
国 内外对 泡 沫金属 强化换 热 的研究 通常要 考
虑 阻 力 特 性 和 传 热 特 性 ． 于 开 孔 泡 沫 金 属 ， 力 对 阻
１ 实验 设 备 简 介
本 实验系 统共分 ４个 部分 ， 包括 ： 温气体 产 高 生装 置 、 沫 金 属换 热 器 、 泡 冷却 水 系 统 、 测量 及 数 据采 集 系统． 实验装 置 的整体布 置如 图 １所示． 实 验 中通 过调节 风 机 的 流量 ， 改变 电加 热 器 的加 热 量， 改变 泡沫 金属 在换 热 器 内 的布置 这 ３种 方 法 来 达到 不 同的实验 条件 ．
温度， 目前还 未见有 这样 的实 验研究 ． 了测试 泡 为 沫金 属换 热器 的 流动 与 换 热 特性 ， 立 了一 整套 建
１ １ 高 温 气 体 产 生 装 置 ．
实验 中采 用 的风 机 型号 为 台 湾东 尼 ２ ８ ， ２ １ 功
率 为 ６ ０Ｗ ， 大 直 径 ２ ８ｍｍ ． 风 机 有 ８个 工 ０ 最 ． 此