多层/梯度多孔材料的设计及其吸声与强化传热性能研究

摘要

多孔材料（多孔介质）具有比表面积大、质轻等优良特性，在能源、机械、环境等领域具有重要的应用价值，其中，多层多孔材料和梯度多孔材料是近年来多孔材料领域国内外研究的热点之一。本文第一部分设计了多层MCF（微通道薄膜）多孔结构材料，以制取吸声性能良好的多层多孔吸声结构为目标，研究了微通道数目、微通道孔径、穿孔直径、穿孔率等参数对于结构吸声性能的影响规律;第二部分，以设计强化换热综合性能良好的多孔材料为目标，创造性地提出GPM（梯度多孔材料）强化换热的设计构想，研究了流通介质在梯度多孔材料填充设备内的传热和流通性能。
　　对多层MCF多孔结构材料的吸声性能进行了试验研究和理论分析，发现其吸声系数同时受到微通道数目、微通道孔径、穿孔直径、穿孔率等参数的综合影响。试验结果与理论值对比表明，将多层MCF多孔结构等效视为多层穿孔板结构是可行的。采用28微通道（内径500微米）制取的多孔结构具有良好的吸声综合性能，与传统的穿孔板结构和多孔材料相比，可以扩展其有效吸声的频率范围，增强结构吸声的稳定性。同时，对多层MCF多孔材料的基础力学性能进行了试验研究，分析了微通道数目、微通道孔径等结构参数对力学性能的影响，结果表明，MCF多孔材料的力学性能较稳定，受结构参数的影响较小，适合在吸声领域的工程应用。
　　基于GPM的优良特性，设计了GPM部分/完全填充圆管强化换热的结构。当Rp（多孔材料径向填充率）分别为0.6，0.8以及1.0时，结合管内充分发展段的速度分布图、管内截面温度分布图、圆管流动阻力系数f和平均努赛尔数Num分别研究了填充梯度孔径（dp）多孔材料、梯度孔隙率(ε)多孔材料对于管内流体流动及换热特性的影响规律，并将其与HPM（均匀多孔材料）填充圆管时对应的相关性能做了对比分析。基于场协同原理和速度加权平均孔径分析了梯度多孔结构填充圆管强化换热的内在机理。在此基础上，比较了各种梯度多孔材料填充圆管结构的换热与流动综合评价性能(PEC)。分析结果表明，在GPM部分或者完全填充圆管时，均可合理设计有特殊结构的GPM，使其在强化换热的同时，还能有效地抑制流动阻力的提升，进而得到优良的强化换热综合性能。
　　首次提出GPHS（梯度多孔热沉）的概念，可用于冷却电子器件。通过建立三维数值模型研究了梯度多孔结构对于多孔热沉水力性能和热性能的影响规律，热沉内部流动属于层流(200≤Re≤1000)。主要分析比较了7种多孔热沉的性能，包括3种HPHS（均匀多孔热沉）和4种梯度多孔热沉。研究表明:与传统的HPHS相比，沿厚度方向具有递减梯度孔径结构的GPHS在水力性能及热性能上同时得到了提高。其中，具有较大平均孔径的递减梯度孔径结构更能够有效地降低阻力系数和整体热阻。同时，也从温控有效系数和优值系数的角度评价比较了不同结构多孔热沉的综合性能。研究表明:热沉通过填充合理设计的梯度多孔材料，能够有效的抑制热沉底面的温度，且与HPHS相比，在泵功相同的情况下能够更好地强化其对流换热性能。

目录

声明

致谢

摘要

图表目录

符号说明

1 绪论

1．1 前言

1．2 多孔吸声材料的研究现状

1．2．1 吸声材料分类及性能评价

1．2．2 多孔吸声材料研究进展

1．3 多孔材料强化换热研究现状

1．3．1 强化换热技术的研究

1．3．2 多孔材料填充圆管强化换热

1．3．3 多孔材料热沉研究进展

1．4 微通道多孔材料(MCF)技术进展

1．4．1 MCF加工成型技术

1．4．2 MCF应用研究进展

1．5 梯度多孔材料研究进展

1．5．1 梯度多孔材料制备成型

1．5．2 梯度多孔材料应用研究进展

1．6 本文研究内容

1．6．1 课题的提出

1．6．2 主要研究内容

2 多层MCF的设计加工及其吸声性能研究

2．1 前言

2．2 多层MCF结构的设计与制备

2．3 声学及力学性能实验

2．3．1 实验目的

2．3．2 实验原理

2．3．3 实验装置与材料

2．3．4 吸声性能实验方法

2．3．5 力学性能实验方法

2．4 理论分析

2．4．1 理论基础

2．4．2 对比分析

2．5 结果与讨论

2．5．1 微通道内径对吸声系数的影响

2．5．2 穿孔率对吸声系数的影响

2．5．3 穿孔孔径对吸声系数的影响

2．5．4 微通道数目的影响

2．5．5 与传统吸声材料的性能比较

2．5．6 MCF吸声材料的力学性能

2．6 结论

3 对流强化换热理论与协同场分析

3．1 对流强化传热机理分析

3．2 多孔材料传热与流动理论

3．3 对流强化换热综合性能评价

3．4 对流传热的场协同理论

3．5 小结

4 梯度多孔材料填充圆管强化换热的数值分析

4．1 前言

4．2 计算模型

4．2．1 物理模型

4．2．2 数学模型/控制方程

4．3 流动与传热参数

4．4 数值模拟

4．4．1 商业软件

4．4．2 模拟条件设定

4．4．3 网格划分

4．4．4 模拟验证

4．5 结果与讨论

4．5．1 Rp=0．6

4．5．2 Rp=0．8

4．5．3 RP=1．0(完全填充)

4．5．4 场协同分析

4．5．5 速度加权平均孔径分析

4．5．6 换热与流动综合性能评价(PEC)

4．6 本章小结

5 梯度多孔热沉的设计及流动与换热性能研究

5．1 前言

5．2 模型与数值模拟方法

5．2．1 模型描述

5．2．2 模拟方法与验证

5．3 结果与讨论

5．3．1 流体流动性能

5．3．2 换热性能

5．3．3 优值系数(FOM)

5．4 结论

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果

作者简介