多孔泡沫金屬內(nèi)層流強(qiáng)制對(duì)流傳熱的相界面溫差分析

1、多孔泡沫金屬內(nèi)層流強(qiáng)制對(duì)流傳熱的相界面溫差分析?256?材料導(dǎo)報(bào)2010年11月第24卷專輯16多孔泡沫金屬內(nèi)層流強(qiáng)制對(duì)流傳熱的相界面溫差分析張丹,李菊香(南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院,南京210009)摘要基于簡(jiǎn)單立方體模型,應(yīng)用Brinkman-Forchheimer-extendedDarcy流動(dòng)模型并結(jié)合邊界層理論,分析了邊界恒熱流條件下的多孔泡沫金屬通道內(nèi)層流強(qiáng)制對(duì)流時(shí)流體與多孔泡沫金屬間的相界面溫差,結(jié)果表明,相界面溫差隨著流體流速的增大而減小,隨著多孔泡沫金屬孔密度的增大而減小,而隨著多孔泡沫金屬孔隙率的增大而增大.關(guān)鍵詞多L泡沫金屬簡(jiǎn)單立方體模型邊界層理論相界面溫差PhaseInter

2、faceTemperatureDifferenceofLaminarForcedConvectioninPorousMetalFoamZHANGDan,I.IJuxiang(CollegeofEnergy.NamingUniversityofTechnology,Naming210009)AbstractThephaseinterfacetemperaturedifferencebetweenporousmetalfoamwithrectangularcrosssectionandfluidisanalyzedbasedonsimplecubicmodelwithBrinkman-Forchh

3、eimer-extendedDarcyflowmodelandboundarylayertheoryunderconstantwallheatfluxconditionoflaminarforcedconvection.Itisshownthatthephaseinterfacetemperaturedifferencedecreaseswithfluidvelocityandporedensityincreasing,butincreaseswithporosityofporousmetalfoamincreasing.Keywordsporousmetalfoam.simplecubicm

4、odel,boundarylayertheory,phaseinterfacetemperaturediffe-renr0引言多孔泡沫金屬是一種以金屬為基體并含有一定數(shù)量,一定尺寸孔徑,一定孔隙率的金屬材料.作為一種新型多功能材料,多孔泡沫金屬具有密度小,剛度大,比表面積大,減震性能好,消聲效果好等優(yōu)異物理特性和良好力學(xué)性能,因此廣泛應(yīng)用于工業(yè),航天,軍事等領(lǐng)域【.多孔泡沫金屬?gòu)慕Y(jié)構(gòu)上可分為開(kāi)孔和閉孔兩類(lèi).開(kāi)孑L泡沫金屬由于其高孑L隙率和復(fù)雜的三維立方網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而具有強(qiáng)化傳熱的作用,因此以開(kāi)孔泡沫金屬為流體通道的換熱設(shè)備也受到了越來(lái)越多的關(guān)注.多孑L泡沫金屬換熱器中的強(qiáng)化傳熱主要通過(guò)增強(qiáng)流體與金

5、屬材料間的對(duì)流傳熱而實(shí)現(xiàn),因此,分析多孔泡沫金屬換熱器中兩相界面的溫差對(duì)于研究其傳熱性能具有重要的意義.Iee等L1.對(duì)多孑L介質(zhì)中的相界面溫差進(jìn)行了特性分析;Marafie等n分析了多孑L介質(zhì)中非達(dá)西效應(yīng)對(duì)溫差的影響.而文獻(xiàn)10,11都是通過(guò)求解對(duì)流傳熱的動(dòng)量方程和能量方程,從而得出流體和多孔泡沫金屬的溫度分布的精確表達(dá)式來(lái)進(jìn)行分析,這些表達(dá)式不但形式繁冗計(jì)算復(fù)雜,而且難于直接找出其隨流體流動(dòng)參數(shù)和多孔泡沫金屬孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律.本文基于簡(jiǎn)單立方體模型,利用邊界層理論,對(duì)邊界恒熱流條件下矩形截面的多孔泡沫金屬通道內(nèi)流體與金屬材料間的相界面溫差進(jìn)行分析,以期得出形式簡(jiǎn)潔而且計(jì)算過(guò)程較為簡(jiǎn)單

6、的溫差表達(dá)式,且能夠直觀地反映其隨流體流動(dòng)參數(shù)和多孔泡沫金屬孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律.1傳熱模型1.1控制方程圖1為均勻來(lái)流掠過(guò)矩形截面多孑L泡沫金屬的示意圖,其中,下表面為恒熱流條件,上表面為絕熱,坐標(biāo)和相關(guān)參數(shù)如圖所示.圖1恒熱流條件下流體掠過(guò)矩形截面多孔泡沫金屬的示意圖Fig.1Schemeoffluidflowacrossporousmetalfoamwithrectangularcl-osssectionunderconstantwallheatfluxcondition張丹:男,1986年生,在讀碩士研究生,從事高效傳質(zhì)技術(shù)E-mail:viadan李菊香:通訊作者,女,1964年生

7、,高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師HI三三三三多孔泡沫金屬內(nèi)層流強(qiáng)制對(duì)流傳熱的相界面溫差分析/張丹等?257?本文的假設(shè)為:(1)多孔介質(zhì)為均勻介質(zhì);(2)流體為不可壓縮;(3)對(duì)流傳熱為定常;(4)流體和多孔介質(zhì)均為常物性;(5)忽略質(zhì)量力;(6)流體為牛頓型流體;(7)忽略多孔介質(zhì)的熱彌散效應(yīng);(8)忽略粘性耗散.對(duì)流傳熱的控制方程組為:質(zhì)量守恒方程:d8ju,c,Ov一.(1)動(dòng)量守恒方程(BrinkmanForchheime卜extendedDarcy模型):(+)+髦一(券+轡)一一可(av+Or-a3p一E:_82v4._3Zv)一夤一(3)能量守恒方程:多孔泡沫金屬:(+)(T)(4)流體

8、:Pfpf(等+8Tf)(等+等+h(Tf)(5)相應(yīng)的邊界條件為:fJ一丁rl_v=【,一J3yI一3yI剛一.(6)HH()v(-k8y1.2孔隙參數(shù)的確定多孔泡沫金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜,要精確描述其結(jié)構(gòu)非常困難,本文采用簡(jiǎn)單立方體模型近似代替多孔泡沫金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見(jiàn).圖2)圖2多子L泡沫金屬的簡(jiǎn)單立方體模型Fig.2Simplecubicmodelofporousmetalfoam其中,d為金屬絲的直徑,d為金屬絲之間的距離,并且d和d.具有如下關(guān)系1:df()比表面積(AsfL為:一嘗拳(8)f一_形狀拖拽系數(shù)卯,滲透率K,多孔泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)k,流體的有效導(dǎo)熱系數(shù)k,相界面對(duì)流傳熱系數(shù)

9、,zr分別為;:(.F一(9)v/150?K一0.00073dp2(1-)-o.22.1()川(10)k一0.181k(1一).(11)k一吹f(12)_O.52()Prf1,(13)1.3邊界層分析圖3為均勻來(lái)流條件下流體層流掠過(guò)沉浸于多孔介質(zhì)中恒熱流平板的示意圖.如圖3所示在平板表面存在著速度邊界層和熱邊界層,在邊界層內(nèi)速度和溫度都沿著y方向發(fā)生劇烈變化;在勢(shì)流區(qū),速度和溫度只沿著向發(fā)生變化,而在_y向?yàn)槌?shù).圖3流體橫掠多孔介質(zhì)中的平板的示意圖Fig.3Schemeoffluidforcedflowoveraflatplateinporousmedium文獻(xiàn)E15通過(guò)應(yīng)用數(shù)量級(jí)分析的方法

10、,將對(duì)流傳熱的控制方程組進(jìn)行簡(jiǎn)化,并應(yīng)用積分法對(duì)簡(jiǎn)化后的動(dòng)量積分方程和能量積分方程進(jìn)行求解.得出了邊界層內(nèi)多孑L介質(zhì)與流體的局部溫差】:一丁一(丁一,)z()一()(其中,丁和丁,丁,分別為固體和流體的局部溫度和勢(shì)流區(qū)溫度.艿為熱邊界層厚度j:艿t一(15)lq1I其中,af一為流體的有效熱擴(kuò)散系數(shù),C一譬為流體pEcpf與泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)比,一/為速度邊界層,/Lvt厚度的最大值,仇一號(hào)(+)為速度邊界層參數(shù),具有的量綱.由文獻(xiàn)15可知,當(dāng)距離入口較遠(yuǎn)時(shí),多孔泡沫金屬與流體間的相界面溫差T趨于恒定.因此,在本文中假設(shè)相界面溫差r沿z向不變.結(jié)合式(6)和式(14)對(duì)式(4)從OH積分,

11、得到相界面?258?材料導(dǎo)報(bào)2010年11月第24卷專輯16溫差11的表達(dá)式為:AT一了,一,f一(16)(1+C)矗f(H一)2結(jié)果與分析本文對(duì)q一5000W/m,H-0.1m,平均溫度為300K的空氣掠過(guò)(如圖1所示)矩形截面多孔泡沫鋁時(shí)的層流強(qiáng)制對(duì)流傳熱進(jìn)行了分析計(jì)算.由式(13)得到的相界面對(duì)流傳熱系數(shù)r隨流體流速的變化規(guī)律如圖4所示.由圖4可知,隨著流體流速的增大而增大,并且隨著孑L密度的增大而增大.這是因?yàn)殡S著流體流速和孔密度的增大,流體在多孔泡沫金屬中流動(dòng)時(shí)受到的擾動(dòng)更加強(qiáng)烈,從而使】隨之增大.1000800600400200()04812/(m/s)圖4相界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨流體流速

12、的變化(g=0.98)Fig.4Variationofphaseinterfaceheattransfercoefficientwithfluidflowvelocity(g=0.98)圖5和圖6分別為不同孔密度和孔隙率時(shí)相界面溫差T隨流體流速的變化規(guī)律.20l6l284O0481216M/(mix)圖5不同孑L密度時(shí)相界面溫差隨流體流速的變化(E=0.98)Fig.5Variationofphaseinterfacetemperaturedifferencewithfluidflowvelocityunderdifferentporedensitycondition(t=0.98)由圖5,圖

13、6可知,f隨著流體流速的增大而減小,其主要原因是隨著流體流速的增大隨之增大,從而加強(qiáng)了流體和多孔泡沫金屬間的對(duì)流傳熱.但是,T隨著流速的增大將趨于恒定,即當(dāng)流速增大到一定程度時(shí),流速對(duì)h的影響很小,強(qiáng)化傳熱的效果有限.此外,丁隨著孔隙率的增大而增大,但隨著孔密度的增大而減小.這可能是因?yàn)?隨著孔隙率的增大,相同體積內(nèi)金屬基體占有的比例隨之減小而導(dǎo)致比表面積的減小,因此流體和多孔泡沫金屬之間的傳熱量減小,從而使T增大;而隨著孔密度的增大,比表面積和相界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都增大,因此流體和泡沫金屬之間的換熱量大大增強(qiáng)從而使T迅速減小.201612q840048l2U/(m/s)圖6不同孔隙率時(shí)相界面溫差隨

14、流體流速的變化(ppi=5)Fig.6Variationofphaseinterfacetemperaturedifferencewithfluidflowvelocityunderdifferentporositycondition(ppi=5)3結(jié)論本文基于簡(jiǎn)單立方體模型,應(yīng)用Brinkman-ForchheimerextendedDarcy流動(dòng)模型和邊界層理論得出了恒熱流條件下矩形截面多孔泡沫金屬通道內(nèi)流體與金屬材料間溫差的表達(dá)式,該表達(dá)式形式簡(jiǎn)單.并且通過(guò)分析得到以下結(jié)論:(1)相界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著流體流速和多孔泡沫金屬孔密度的增大而增大.(2)流體與多孑L泡沫金屬之間的相界面溫差丁隨著

15、流體流速和多孔泡沫金屬孔密度的增大而減小,隨著多孔泡沫金屬孔隙率的增大而增大.參考文獻(xiàn)1GibsonIJ,AshyMnCellularsolidM.2ndEdition.Cambridge:CambridgeUniversityPress,19992BoomsmaK,PoulikakosD,ZwickF.MetaIfoamsascompacthighperfoInlanceheatexchangersJ.MechanMeter,2003.35(12):】l6l3HeiehWH,WuJY,ShihWH,eta1.Experimentalinvestigationofheat-transferch

16、aracteristicsofaluminum-foamheatsinksEJ.IntJHeatMassTransfer,2004,47(23):51494ShihWH,ChiuWC,HsiehWH.Heighteffectonheattransfercharacteristicsofaluminum-foamheatsinksEJ.JHeatTransfer,2006,128(6):5305IuW,ZhaoCY,TassouSA.Thermalanalysisonmetalfoamfilledheatexchangers.PartI:MetalfoamfilledpipesJ.IntJHea

17、tMassTransfer,2006,49(1516):27516ZhaoCY,LuW,TassouSA.Thermalanalysisonmetalfoamfilledheatexchangers.Part1I:TubeheatexchangersEJ.IntJHeatMassTransfer,2006,49(1516):2762(下轉(zhuǎn)第264頁(yè))?264?材料導(dǎo)報(bào)2010年11月第24卷專輯16熱循環(huán)工作溫度,陶瓷層厚度對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響,通過(guò)計(jì)算得到了以下結(jié)論.(1)在只考慮熱彈性變形的條件下,熱循環(huán)工作溫度和陶瓷層厚度主要影響保溫階段系統(tǒng)應(yīng)力場(chǎng)的大小,每次熱循環(huán)冷卻之后,同一位置的殘余

18、應(yīng)力值相等.(2)對(duì)于圓柱體結(jié)構(gòu)的熱障涂層系統(tǒng),其環(huán)向應(yīng)力遠(yuǎn)大于徑向應(yīng)力數(shù)值,這主要是由于材料參數(shù)不匹配引起的,因此在后續(xù)分析測(cè)試中建議重點(diǎn)關(guān)注其環(huán)向應(yīng)力的變化.在高溫?zé)嵫h(huán)過(guò)程中,熱障涂層系統(tǒng)不僅發(fā)生熱彈性變形,而且還會(huì)發(fā)生高溫蠕變,高溫塑性變形和陶瓷層燒結(jié)效應(yīng)等其它復(fù)雜的變形情況.為了充分預(yù)測(cè)其應(yīng)力場(chǎng)的演變,在今后工作中應(yīng)該逐步考慮上述因素的影響,獲得更加接近實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài).參考文獻(xiàn)1PadtureNP,GellM,JordanEH.Thermalbarriercoatingsforgas-turbineengineapplicationsJ.Science,2002,296(12):28

19、02李美妲,胡望宇,孫曉峰,等.熱障涂層的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)_J.材料導(dǎo)報(bào),2005,19(4):413李曉海,陳貴清,孟松鶴,等.熱障涂層的研究進(jìn)展_J.宇航材料工藝,2004,34(1):14史國(guó)棟,梁軍,陳貴清,等.金屬/陶瓷微疊層材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能J.稀有金屬材料與工程,2007,36(2):677j李志華,劉云川,李煥喜.基底曲率對(duì)熱障涂層殘余應(yīng)力的影響I-j.河北理工大學(xué)(自然科學(xué)版),2008.30(3):1296徐穎強(qiáng),汪震隆,李劍鋒.熱障涂層抗氧化夾層界面殘余應(yīng)力分析J.中國(guó)機(jī)械工程,2008,19(16):20007毛衛(wèi)國(guó),戴翠英,周益春.在制備過(guò)程中熱障涂層系統(tǒng)內(nèi)殘

20、余應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)J.湘潭大學(xué)自然科學(xué),2O05,27(4):468毛衛(wèi)國(guó),周益春.熱循環(huán)下熱障涂層的殘余應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)J.湘潭大學(xué)自然科學(xué),2003,25(3):399王峰會(huì),張勇,王泓.熱障涂層氧化殘余應(yīng)力大小與演化過(guò)程測(cè)試lJ.實(shí)驗(yàn)力學(xué),2006,21(5):607lO王勖成.有限單元法M.北京:清華大學(xué)出版社,2003:11lZhouYC,HashidaT.CoupledeffectsoftemperaturegradientandoxidationonthethermalstressinthermalbarriercoatingsystemJ.IntJSolidsStruct,2001,38(

21、2425):423512ZhangXC,XuBS,WangHD,eta1.Predictionofthree-dimensionalresidualstressesinthemuhilayercoatingbasedsystemswithcylindricalgeometryJ.ComposSciTechn,2006,66:224913TsuiYC,ClyneTW.AnanalyticalmodelforpredictingresidualstressesinprogressivelydepositedcoatingsPart2:CylindricalgeometryJ.ThinSolidFi

22、lms,1997,306(1):3414TeixeiraV,AndritschkyM,FischerW,eta1.EffectsofdepositiontemperatureandthermalcyclingonresidualstressstateinzirconiabasedthermalbarriercoatingsJ.SurfCoatTechn,1999,12012l:103,p,ttt(上接第258頁(yè))4237TzengSC.JengT,LInterstitialheattransfercoefficientanddispersionconductivityincompressedmetalfoamheatsinksJ.JElectronPackaging,2007,129(2):38GhoshI.HOWgoodiSopen-cellmetalfoamasheattransfersurfaceJ.JHeatTransfer,2009,1