多孔泡沫金属相界面传热系数的研究

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1、多孔泡沫金属相界面传热系数的研究张•丹，李菊香（南京工业大学能源学院，江苏南京210009）(1)摘要：基于简单立方体模型并采用翅片理论分析得出了流体在多孔泡沫金属通道内层流强制对流时相界面传热系数的表达式，并在不同条件下研究了流体流速和孔隙结构对相界面传热系数的影响•结果表明，相界面传热系数随着流体流速的增大而增大，随着多孔泡沫金属孔密度的增大而增大，而随着多孔泡沫金属的孔隙率的增大先增大后减小。关键词：多孔泡沫金属；简单立方体模型；翅片理论；柑界面传热系数中图分类号：TB34文献标识码:A文章编号：1001-9731（2010）增刊11

2、-0365-031引言多孔泡沫金属是一种以金属为基体并含有一定数量、一定尺寸孔径、一定孔隙率的金属材料。作为一种新型多功能材料，多孔泡沫金属具有比重小、刚度大、比表面积大、减震性能好、消声效果好等优异物理特性和良好机械性能，因此广泛应用于工业、航天、军事等领域1］。多孔泡沫金属从结构上可分为开孔和闭孔两类。开孔泡沫金属由于其高孔隙率和复杂的三维立方网状结构而具有强化传热的作用，因此以开孔泡沫金属为流体通道的换热设备也受到了人们越来越多的关注切。多孔泡沫金属换热器屮的强化传热主要通过增强了流体与泡沫金属间的对流传热而实现•因此•多孔泡沫金属通

3、道中两相界面传热系数的分析对于硏究多孔泡沫金属换热器的传热性能具有重要的意义。很多研究者都对颗粒型多孔介质通道中两相界面间的传热系数进行了研究"⑷，但是由于多孔泡沫金属内结构的复杂性，这些结论都不能很好地适用于实际情况。本文基于简单立方休模型并采用翅片理论对多孔泡沫金属相界面传热系数进行了分析研究，得出了多孔泡沫金属通道内层流强制对流的相界面传热系数的表达式，并在不同条件下研究了流体流速和孔隙结构对相界面传热系数的影响，希望能为多孔泡沫金属换热器传热性能的研究提供理论依据。2理论分析2.1物理模型多孔泡沫金厲结构复杂，要精确描述英结构非常困

4、难，本文将采用简单立方体模型近似代替多孔泡沫金属的内部结构（如图1）以简化分析。并且假设如下：（1）多孔介质为均匀介质；（2）流体为不可压缩；（3）对流传热为定常；（4）流体和多孔介质均为常物性；（5）忽略质量力；（6）流体为牛顿型流体；（7）忽略多孔介质的热弥散效应；©）忽略粘性耗散。如图1所示，/为金属杆的直径，乩为金属杆之间的距离,乩和心具有如下关系［旧:并且根据〃仇数的定义（单位英寸的孔数目）,心和/之间满足如下关系：图1多孔泡沫金属的简单立方体模型Fig1Simplecubicmodelofporousmetalfoam2.2结构

5、单元分析由图1可知简单立方体模型具有周期性的特性,因此本文将选取英屮的一个结构单元（如图2所示）作为研究对象，并假设均匀来流方向为広向。简单立方体的结构单元由相互垂直的金属圆柱杆构成，杆长及金属杆间的距离为厶，金属杆的直径为乩。

6、的研究。366%紘导以及金属杆与流体之间的対流换热。其传热方式与翅片的传热十分相似，因此在对结构单元的分析中可以将结构单元看成是针肋（如图3所示），从而可以采用典型的翅片传热理论分别对3个坐标轴方向金属杆的传热进行分析。其屮7；为沿金属杆之方向的温度，兀为流体的温度/为流休与金属杆间的对流传热系数，可认为等同于流体横掠管束的对流传热，由文献［16］取h=图3针肋Fig3Pinfin0.52护丹严.忠为金属杆基体的导热系数。令：之方向的传热分析如下：在稳态条件下•金属杆导热控制方程为〔⑷：式（4）的通解为：0=C}enxz+C2e~mz金属杆

7、的边界条件为：厂=O,0i=Ti—T（U=2=T2—Tf(4)(5)(6)=0心ksa((3)其中4,T2分别为z=0和z=dp金属杆两端的温度•并口在本文中假设7>T2o由式（5）和式（6）得到金属杆的温度分布为:丁_丁I(T

8、—l)sinh[〃2(c/p—2)]+(T?—Ti)sini(/nz)iz=•十一在大多数工程应用中（通常以水或空气等介质作为流体,A；102〜10"W/（m2・K）,6/（：10-4m,^：102W/（m・K））Bi=^〜并且由于金属杆的长度较短，尤sinh（?/2t/p）的平均温度为:(7)(8)由傅立叶

9、定律可知，导入金属杆的热量为:其对于孔密度较大的多孔泡沫金属。因此，取金属杆(7'i—71)coshp)—(T?—71)z=0sinh(“?dp)导出金属杆的热量为:<7（>=_