泡沫金属复合相变材料熔化传热过程可视化研究

摘要

相变材料强化传热方式之一是添加高导热系数的多孔材料，泡沫金属由于高导热系数的金属骨架，高孔隙率和高比表面积等优点而应用于强化传热领域。本文重点研究泡沫金属复合相变材料在熔化过程中金属骨架对孔隙尺度温度场的影响，即二者热物性相差较大产生的局部热不平衡现象，并进一步研究不同孔隙密度泡沫金属对局部温度场以及整体强化传热效果的影响。
　　本文采用红外热成像技术对复合相变材料的孔隙尺度温度场进行可视化研究。为验证红外热像仪测温准确性，基于辐射力比较法测量得到石蜡发射率，实验对比稳态和瞬态条件下热电偶和红外热像仪对试样上表面同一位置温度的测量结果。实验采用15ppi，30ppi和50ppi泡沫铜/石蜡复合试样，分别测量了泡沫铜孔隙率以及石蜡熔化温度区间。为拍摄孔隙尺度温度场，实验利用红外热像仪及相应微距镜头，对直径5mm的圆形区域温度场进行拍摄，同时利用热电偶布置于圆心位置测温，得到泡沫铜/石蜡熔化过程中局部动态温度场，并对金属骨架对局部温度场的影响进行初步分析。为研究泡沫金属孔隙密度以及边界条件对相变材料熔化传热过程的影响，本文选用过热温度分别为20℃和30℃，三种不同孔隙密度的泡沫铜/石蜡复合试样进行熔化实验。
　　根据红外测温和热电偶测量结果，二者平均相对偏差分别小于2％和4%。因此可验证红外热像仪测量石蜡熔化过程动态温度的精度较高。15ppi，30ppi和50ppi泡沫铜孔隙率测量结果相近约为95%；利用差示扫描量热仪测得石蜡熔化温度范围为46.4℃-50.9℃。
　　在15ppi泡沫铜/石蜡整体受热过程中，同一孔隙内的平均温差约为1℃。由于金属骨架影响了局部温度场，熔化过程的温差急剧增大，且熔化温度附近存在最大温差约8℃。此外，在过热温度为20℃时，30ppi和50ppi泡沫铜对相变材料的强化传热效果相近，二者熔化速率高于15ppi；在过热温度为30℃时，整体熔化速率提升，30ppi泡沫铜的强化传热效果最好。泡沫金属骨架既有强化导热的功能，也限制了石蜡熔化过程中的自然对流，因此在强化传热应用中需要综合考虑边界条件以及泡沫金属孔隙密度的影响。同时，50ppi泡沫铜复合相变材料在熔化过程中局部温差最小，即泡沫金属孔隙密度越大，局部热不平衡程度越小。

目录

声明

致谢

主要符号表

1绪论

1.1课题研究意义

1.2课题研究背景

1.3国内外研究现状

1.4课题来源

1.5课题的研究内容及创新点

2 孔隙尺度温度场可视化研究方法

2.1红外热成像技术

2.2孔隙尺度红外热成像测温

2.3本章小结

3泡沫铜/石蜡熔化过程局部温度场可视化实验系统

3.1实验材料

3.2泡沫铜内石蜡熔化过程的温度场可视化系统

3.3本章小结

4泡沫铜对复合相变材料熔化过程的影响

4.1泡沫铜骨架对孔隙尺度温度场的影响

4.2泡沫金属孔隙密度对局部温度场的影响

4.3实验重复性

4.4本章小结

5结论及展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

攻读硕士学位期间获奖情况

攻读硕士学位期间参与的科研项目