泡沫金屬填充套管換熱器內(nèi)流體流動(dòng)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(xué)、熱物理、電學(xué)和聲學(xué)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(qiáng)化傳熱技術(shù)中具有以下特點(diǎn)：(1)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、硬度大；(2)比表面積大，這使流體流過時(shí)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(chǔ)存能量強(qiáng)化傳熱；(3)與流動(dòng)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(qiáng)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(yīng)用，本文著重進(jìn)行泡沫金屬填充套管換熱器內(nèi)流體流動(dòng)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(diǎn)對(duì)描述泡沫金屬的基本參數(shù)進(jìn)行了理論分析，得出了表示泡沫金屬中流體流動(dòng)

3、的流動(dòng)參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。
　　 (2)多孔泡沫金屬強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了泡沫金屬填充套管換熱器實(shí)驗(yàn)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(duì)泡沫金屬填充套管換熱器傳熱采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值分析，通過Gambit建立了實(shí)驗(yàn)中套管換熱器裝置的三維模型，并通過Fluent對(duì)其流體流動(dòng)及傳熱特性進(jìn)行分析。
　　 經(jīng)理論分析、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)化傳熱效果顯著。通過對(duì)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(duì)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(duì)換熱器內(nèi)的流動(dòng)和換熱的影響。結(jié)果顯示泡沫金屬的換熱能力和流動(dòng)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(duì)于壓降：當(dāng)

5、基于滲透率的雷諾數(shù)()小于20時(shí)，主要受滲透率的影響，當(dāng)超過20時(shí)，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(duì)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(dāng)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(duì)填充泡沫金屬后的套管換熱器的綜合性能進(jìn)行比較，引入性能因子，得出填充泡沫