燒結金屬多孔材料的性能及其在低溫流體中的沸騰和相分離特性研究.pdf

1、燒結金屬多孔材料由于其內(nèi)部孔隙的存在而呈現(xiàn)出有別于金屬致密物的特殊性能,被視為最有前途的功能材料之一,在新能源、節(jié)能、航天航空、高效冷卻等領域有著廣泛的應用前景。隨著科學技術的進步,低溫流體的應用正變得越來越廣泛。對低溫流體,包括液氮、液氫,對燒結多孔表面上池沸騰換熱性能的研究對其在航天、電子冷卻、低溫生物醫(yī)療、超導磁體與電纜冷卻等領域的應用具有非常重要的意義。對于液氦,燒結金屬多孔材料在超流氦中的相分離特性是其能在空間無重力條件下有效

2、防止超流氦向外太空泄漏,完成超流氦的氣液相分離,實現(xiàn)空間液體有效管理的重要基礎。
　　對燒結金屬多孔材料的各項性能參數(shù)進行了系統(tǒng)研究,測試了多孔材料的孔隙率;在自然斷裂表面掃描電鏡(SEM)圖像基礎上進行圖像處理與分析,得到面孔隙率以及平均孔徑與孔徑分布特征;設計了以達西定律為依據(jù)的實驗系統(tǒng)對滲透系數(shù)和透氣度進行測試,并系統(tǒng)分析了原始粉末粒度、孔隙率、厚度、低溫工況、平均孔徑以及孔徑分布等因素對滲透性能的影響;使用hot disk

3、熱導測試裝置測量了有效熱導率,并與經(jīng)驗公式的預測結果作比較。結果表明,面積平均孔徑與孔徑分布特征能有效反映透氣度的變化規(guī)律;厚度對燒結金屬多孔材料的孔隙率和滲透系數(shù)有著重要的影響,厚度越小,原始粉末顆粒的直徑越大,壁面效應越明顯;低溫工況不會改變燒結金屬多孔材料的滲透性能。
　　開展了實驗難度較大的液氮池沸騰實驗,合理設計實驗裝置克服了低溫密封、隔熱等難點,迄今第一次獲得了在光滑銅表面、顆粒燒結金屬多孔表面和燒結泡沫金屬表面上的液

4、氮池沸騰換熱實驗結果。針對眾多研究者在燒結多孔表面上池沸騰實驗過程中得到的眾多相互矛盾的結論進行了分析,確定換熱規(guī)律;建立熱阻模型描述了在不同池沸騰換熱階段的主要換熱機理,并分析了流體工質、厚度、孔徑等不同參數(shù)對沸騰換熱的影響。對池沸騰過程中的遲滯現(xiàn)象進行了研究,并對換熱表面上的氣泡狀況進行了可視化觀察,有助于對換熱規(guī)律的更深刻認識。獲得了如下結論:(1)低溫流體液氮的表面張力、接觸角和飽和溫度都相對較小,在很低的壁面過熱度下就能在加熱

5、表面上形成大量氣泡,開始核態(tài)沸騰換熱過程。顆粒燒結多孔表面對沸騰起始階段的換熱強化不明顯;燒結泡沫金屬表面上存在大量有效汽化核心,且表面對流換熱劇烈,池沸騰起始階段的壁面過熱度下降,換熱系數(shù)增大。(2)在光滑表面上的液氮池沸騰的換熱曲線滿足典型的核態(tài)沸騰換熱規(guī)律。燒結金屬多孔表面上的池沸騰換熱起始階段換熱系數(shù)較大,隨著熱流密度的增大,沸騰換熱曲線趨于平緩,換熱系數(shù)減小并維持基本不變。在熱流密度較大區(qū)域,兩種不同的燒結金屬多孔表面都呈現(xiàn)出

6、對沸騰換熱的強烈抑制作用。(3)隨著熱流密度的增大,燒結金屬多孔表面上的池沸騰換熱經(jīng)歷核態(tài)沸騰階段和表面沸騰階段。在核態(tài)沸騰階段,主要受到流體特征控制,換熱表面的氣泡生長所消耗的潛熱以及氣流擾動所導致的對流換熱是最主要的換熱機理。在表面沸騰階段,控制燒結多孔表面上沸騰換熱過程的主要換熱機理是表面的核態(tài)沸騰換熱和多孔層的氣膜導熱。(4)燒結多孔結構所產(chǎn)生的毛細抽力,可以不停地維持冷卻流體供應,使表面核態(tài)沸騰狀況能夠長時間的維持下去,即使熱

7、流密度加到很大仍不會出現(xiàn)臨界熱流密度CHF狀況。(5)燒結多孔層的厚度越大,對氣泡的阻礙越大,越容易在多孔層內(nèi)部形成氣膜,表面的池沸騰更早進入表面沸騰階段。(6)遲滯現(xiàn)象主要在核態(tài)沸騰換熱過程中發(fā)生,并且對換熱系數(shù)的削弱非常明顯,表面沸騰過程中沒有觀察到明顯遲滯現(xiàn)象。
　　對燒結金屬多孔材料制成的多孔塞分離器在低溫流體超流氦中的相分離特性進行了研究,運用超流氦二流體模型和Hagen-Poiseuille定律等對多孔塞相分離器流量特