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开槽泡沫金属强化沸腾换热性能的研究

开槽泡沫金属强化沸腾换热性能的研究

作者：孙利利江苏科技大学

学位级别：硕士

相变换热是一种适用于大功率电子设备的散热方式,通过液态工质的沸腾传热过程,带走电子设备热量,展现了较好的散热潜力。泡沫铜材料可进一步强化沸腾换热,这已在一些研究中得以证实,但同时也会带来额外的流动阻力损失,从而造成泵功损耗... 详细信息

相变换热是一种适用于大功率电子设备的散热方式,通过液态工质的沸腾传热过程,带走电子设备热量,展现了较好的散热潜力。泡沫铜材料可进一步强化沸腾换热,这已在一些研究中得以证实,但同时也会带来额外的流动阻力损失,从而造成泵功损耗增加。采用开槽的方式,可以沸腾换热特性和泵功损耗之间达到较好的平衡。本文以去离子水为实验工质,主要研究了两种条件下泡沫金属的流动沸腾换热特性:封闭空间条件和开放空间条件,泡沫金属厚度分别是5 mm和2 mm。研究槽道数以及结构参数(孔隙率和孔密度)对沸腾换热性能的影响,同时结合可视化,对开槽结构中的沸腾过程中汽泡形态和流型进行观察,为深入探索其机理打下基础。实验首先对封闭空间下泡沫铜进行沸腾换热研究,研究发现:开槽泡沫铜换热性能明显优于无槽,六槽普遍优于九槽。孔隙率对平均压降的影响较为明显,随热流密度增加平均压降逐渐增加;而孔密度对平均压降影响不大。从热阻和泵功率的综合评价来看,110 PPI、六槽道泡沫铜综合性能最佳。可视化观察表明:随着热流密度不断升高,流型从泡状流汽泡转化成弹状流和环状流,换热机制上,低热流时,主要由核态沸腾主导;中等热流时,主要由对流沸腾换热机制主导;高热流时,由薄液膜蒸发主导。然后对开放空间下泡沫金属沸腾换热进行了系统研究。结果表明:有槽泡沫铜的沸腾换热性能远优于无槽泡沫铜,有槽泡沫铜的换热系数可以达到120 k W/(m2·K)左右,而无槽仅有30 k W/(m2·K)左右;而对于CHF,有槽泡沫铜样品可以达到130 W/cm2数量级,而无槽样品临界热流密度为50 W/cm2数量级。对于有槽泡沫铜,孔隙率较大的样品(90%)换热性能较好,而孔密度则对换热性能影响较小。泡沫镍样品的性能略逊于同规格的泡沫铜。开放空间下,槽道数对沸腾换热特性的影响是第一显著因素。17槽道样品的换热系数普遍高于11槽道样品,但17槽泡沫铜的平均压降远大于11槽泡沫铜。有槽泡沫铜的沸腾换热系数随质量流率的增大而增大。开槽泡沫铜的压降一般随热流密度的增大而增大。最后,对开放空间下开槽泡沫铜进行了可视化观察,研究发现:当热流较大时,流型主要是汽团在上、液体在下的分层流,增大流量能显著抑制了汽泡聚并和分层流流型的出现。由于实验入口条件是过冷进液,当质量流率较小时(9.3 kg/(m2·s)),低热流下会呈现汽泡在上层自由空间冷凝现象,高热流时上层冷凝现象消失。17槽样品流型存在明显的周期型演变循环,而11槽泡沫铜周期现象不明显,增大流量可缩短可流型的周期循环周期。

关键词：泡沫金属沸腾换热汽泡动力学流型换热系数

双重孔径泡沫金属材料的强度和热性能多目标优化设计

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金属学报 2010年第1期46卷 104-110页

作者：寇东鹏虞吉林中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室合肥230027

对双重孔径泡沫金属稳态热传导过程进行了数值模拟,发现相同密度下双重孔径泡沫金属导热系数高于单一孔径泡沫金属,但随着孔径比增大,材料导热系数减小。通过对有限元计算结果的多项式拟合得到了目标函数,建立了包含强度、隔热和轻质3... 详细信息

对双重孔径泡沫金属稳态热传导过程进行了数值模拟,发现相同密度下双重孔径泡沫金属导热系数高于单一孔径泡沫金属,但随着孔径比增大,材料导热系数减小。通过对有限元计算结果的多项式拟合得到了目标函数,建立了包含强度、隔热和轻质3个目标函数的多目标优化设计数学模型,讨论了构件质量一定的情况下双重孔径泡沫金属材料设计参数的选取,获得了满足强度要求,同时隔热性能最优的泡沫金属孔径比、密度和构件厚度。泡沫金属构件隔热参数——屈服应力图表明,作为同时满足承载和隔热要求的泡沫金属板构件,选用双重孔径泡沫金属的构件综合性能要显著优于单一孔径泡沫金属构件。

关键词：泡沫金属强度热性能多目标优化设计

V形翅片及泡沫金属对储热系统内相变材料的传热强化

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V形翅片及泡沫金属对储热系统内相变材料的传热强化

作者：王梦然中南大学

学位级别：硕士

利用热储能技术可以回收余热,减少能源浪费,缓解能源危机。然而,大多数相变材料的导热系数小,限制了潜热储热体系的热效率。本文围绕相变材料换热强化这一课题,采用V形翅片与泡沫金属作为增强传热的手段,利用数值计算方法系统研究了管... 详细信息

利用热储能技术可以回收余热,减少能源浪费,缓解能源危机。然而,大多数相变材料的导热系数小,限制了潜热储热体系的热效率。本文围绕相变材料换热强化这一课题,采用V形翅片与泡沫金属作为增强传热的手段,利用数值计算方法系统研究了管壳式储热单元内相变材料熔化过程传热和流动特征。分析了翅片数量、厚度、长度、夹角、分布、以及泡沫金属孔隙率、孔密度和梯度孔隙率布置对储热单元储热性能的影响规律,并通过相变材料的熔化温度分布及随时间变化曲线、液相率分布、液相体积分数随时间变化曲线、单位长度实际储热量和相变储热速率密度评价储热单元的综合储热性能。主要研究内容及结论如下:(1)增加翅片数量、厚度、长度均能提高管壳式相变储热单元的储热性能。随着翅片数量、厚度、长度的增加,储热性能提升效果变弱,储能量减小。当翅片厚度从0.75 mm增至2 mm时,单位长度储能量减少了86.7 k J/m。增加翅片数量和长度的提升效果远远大于增加翅片厚度的效果。在相同储热量情况下,过大或过小的V形夹角的综合性能均较差,当V形夹角为45°综合性能最好。另外,倒立布置的三翅管壳式储热单元要比未倒立布置的储热单元储热性能更好,随着翅片数量增加倒立布置的储热性能变差,在翅片数量五翅与七翅时,V形翅片倒立布置系统综合性能比V形翅片未倒立系统更好。在翅片数量相同的情况下,适当的增加下部翅片数量可有效提升整体熔化速率。(2)泡沫铜的加入极大地提升了储热单元的储热性能。孔隙率为0.9的V形翅片泡沫金属复合材料储热单元中相变材料熔化速率分别比翅片数量对比组中的七翅V形翅片储热单元和翅片长度对比组中的45 mm V形翅片储热单元的熔化速率快4.71倍和1.62倍。低孔隙率比高孔隙率的提升效果更明显,但损失的储热量也更多。提升孔密度可以提高相变材料的熔化速率,但随着孔密度的增加,提高效果减弱。(3)选择合适的两层和三层梯度泡沫铜孔隙率排布可以提升储热单元的储热性能,三层的提升效果要由于两层。将高孔隙率布置在内层,低孔隙率布置在外层的搭配不能起到促进的效果。通过对比所有案例,选择内层孔隙率为0.87、中层为0.90、外层为0.93的梯度孔隙率泡沫金属储热单元储能效果最好,其熔化速率比单层孔隙率的相变材料提升了10.5%。图63幅,表8个,参考文献90篇

关键词： V形翅片泡沫金属潜热储能管壳式换热器数值仿真

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泡沫金属及其复合材料性能的研究进展

山西冶金 2023年第5期46卷 76-78,96页

作者：尹文艳马巍兰州资源环境职业技术大学甘肃兰州730000

泡沫金属因其优异的孔结构和金属特性而具备吸热能力好、吸能效果好、降噪和隔热性好等优异特点,引起了研究学者的广泛关注。为使泡沫金属及其复合材料得到更好的应用,主要以泡沫铝为研究对象,对多孔泡沫金属的结构特点、性能、应用的... 详细信息

泡沫金属因其优异的孔结构和金属特性而具备吸热能力好、吸能效果好、降噪和隔热性好等优异特点,引起了研究学者的广泛关注。为使泡沫金属及其复合材料得到更好的应用,主要以泡沫铝为研究对象,对多孔泡沫金属的结构特点、性能、应用的研究进展进行阐述,并对其未来的研究发展进行展望,以供同行参考借鉴。

关键词：泡沫金属吸能压缩降噪过滤

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泡沫金属对流换热性能研究

功能材料 1993年第5期24卷 438-442页

作者：余兴泉何德玶陈锋东南大学材料系南京210018

研究了PMF法形成的泡沫金属,在自然对流和强迫对流两种状态下其孔隙结构(孔径、孔隙率、通孔度)及试样厚度对其换热性能的影响,并对实验结果作了讨论。

关键词：泡沫金属孔隙结构性能传热对流

泡沫金属−PCM−液冷复合方式下动力电池散热分析

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新能源进展 2022年第1期10卷 80-86页

作者：刘家良赵知辛黄鸣远陈小龙陕西理工大学机械工程学院陕西汉中723001

电池是电动汽车的核心动力元件,而电池的热管理系统是动力电池发挥最佳工作性能的重要保障,在保证最佳工作性能的同时提升汽车安全性能、电池寿命及能源利用效率。基于21700NCA圆柱型三元锂离子电池,建立以泡沫铝为支撑骨架的电池组系统... 详细信息

电池是电动汽车的核心动力元件,而电池的热管理系统是动力电池发挥最佳工作性能的重要保障,在保证最佳工作性能的同时提升汽车安全性能、电池寿命及能源利用效率。基于21700NCA圆柱型三元锂离子电池,建立以泡沫铝为支撑骨架的电池组系统,在骨架和电池之间的孔隙注入相变材料(PCM)以提高结构内部温度均匀性,在电池底部添加液冷板来强化冷却效果,利用计算流体力学(CFD)仿真技术分析单体电池的耦合散热效果。结果表明,与单一冷却模式相比,使用泡沫金属与相变材料、液体冷却的耦合散热系统,可以达到更加良好的散热效果;对于相变材料,在一定密度范围内,密度越大,对电池系统的冷却效果越好,混合比主要影响相变材料的凝固融化速率。

关键词：动力电池相变冷却泡沫金属 CFD仿真

泡沫金属三明治结构压印-粘接复合接头剥离性能分析

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材料科学与工艺 2020年第2期28卷 18-24页

作者：张杰何晓聪雷蕾初明明刘可欣黄炎宁昆明理工大学机电工程学院昆明650500

为研究三明治结构压印-粘接复合接头的抗剥离性能,选取AA5052铝合金板以及泡沫镍、泡沫铜以及泡沫铁镍进行压印-粘接复合连接,对接头进行拉伸剪切试验,采用扫描电镜对失效断口进行了观察,分析了接头的失效形式、失效载荷、能量吸收值以... 详细信息

为研究三明治结构压印-粘接复合接头的抗剥离性能,选取AA5052铝合金板以及泡沫镍、泡沫铜以及泡沫铁镍进行压印-粘接复合连接,对接头进行拉伸剪切试验,采用扫描电镜对失效断口进行了观察,分析了接头的失效形式、失效载荷、能量吸收值以及失效机理。结果表明:夹层的存在会使接头中胶层的失效过程更加稳定,夹层对于压印-粘接复合接头的承载能力并无显著影响,但是会降低其失效过程中的能量吸收值。

关键词：压印-粘接复合接头三明治结构泡沫金属拉伸剪切试验扫描电镜

煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰波性能的影响规律

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煤炭学报 2017年第11期42卷 2885-2891页

作者：王亚军徐秀艳秦宪礼黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 黑龙江科技大学理学院黑龙江哈尔滨150022

泡沫金属是能够同时抑制瓦斯爆炸冲击波和火焰波传播的新型阻隔爆材料,但在煤粉环境下泡沫金属阻隔瓦斯爆炸的能力却不得而知。为研究煤粉对泡沫金属阻隔瓦斯爆炸火焰波传播的影响规律,在自行设计的直径120 mm的瓦斯传爆测定装置中,对... 详细信息

泡沫金属是能够同时抑制瓦斯爆炸冲击波和火焰波传播的新型阻隔爆材料,但在煤粉环境下泡沫金属阻隔瓦斯爆炸的能力却不得而知。为研究煤粉对泡沫金属阻隔瓦斯爆炸火焰波传播的影响规律,在自行设计的直径120 mm的瓦斯传爆测定装置中,对管道中添加不同参数煤粉后泡沫金属衰减火焰速度的性能进行了实验研究。结果表明:添加粒径为60~80目的 5,10,50,100 g煤粉后,爆炸火焰波衰减率分别为92.95%,97.93%,80.95%,92.05%。对于特定参数的泡沫金属,煤粉质量在一定范围内会造成阻隔性能的降低。分析发现煤粉粒径越接近泡沫金属孔径,煤粉越易滞留于阻隔材料,泡沫金属的阻隔效果也越差。100 g 40~60目的煤粉添加后导致泡沫金属的火焰波衰减率降低为68.23%。研究结果显示,管道中的煤粉质量和粒径均可对泡沫金属的阻隔性能产生重要影响。

关键词：煤粉泡沫金属瓦斯爆炸抑制火焰波影响规律

泡沫金属填充率对相变材料强化换热的机理研究

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制冷学报 2021年第5期42卷 127-133页

作者：朱孟帅张华闫勤学王子龙宋瀚文孙向昕上海理工大学能源与动力工程学院上海市动力工程多相流动与传热重点实验室上海200093 南京汽轮电机(集团)有限责任公司南京210000

本文基于石蜡和泡沫金属铜制备了复合相变蓄热材料,设计并搭建了可视化蓄热实验装置,分析了泡沫金属铜填充率对石蜡蓄热过程的强化传热机理。实验结果表明:当泡沫金属铜的填充率从0增至2.13%时,复合相变蓄热材料的融化时间从901 s缩短至... 详细信息

本文基于石蜡和泡沫金属铜制备了复合相变蓄热材料,设计并搭建了可视化蓄热实验装置,分析了泡沫金属铜填充率对石蜡蓄热过程的强化传热机理。实验结果表明:当泡沫金属铜的填充率从0增至2.13%时,复合相变蓄热材料的融化时间从901 s缩短至791 s,缩短了12.21%;当泡沫金属铜的填充率为2.13%时,石蜡内部的温度梯度最小,为22.52 K。此外,随着泡沫金属铜填充率的增加,复合相变蓄热材料的蓄热量从15932 J减小至13296 J,减少了16.55%,蓄热速率先减小后增大,分别为18.41、18.33、18.64、19.13 J/s,当泡沫金属铜的填充率为0.99%时,蓄热装置中石蜡的蓄热量为14539 J,蓄热速率为18.52 J/s,蓄热装置的蓄热性能较好。

关键词：相变蓄热泡沫金属石蜡强化传热蓄热性能