烧结金属多孔材料的性能及其在低温流体中的沸腾和相分离特性研究

摘要

烧结金属多孔材料由于其内部孔隙的存在而呈现出有别于金属致密物的特殊性能,被视为最有前途的功能材料之一,在新能源、节能、航天航空、高效冷却等领域有着广泛的应用前景。随着科学技术的进步,低温流体的应用正变得越来越广泛。对低温流体,包括液氮、液氢,对烧结多孔表面上池沸腾换热性能的研究对其在航天、电子冷却、低温生物医疗、超导磁体与电缆冷却等领域的应用具有非常重要的意义。对于液氦,烧结金属多孔材料在超流氦中的相分离特性是其能在空间无重力条件下有效防止超流氦向外太空泄漏,完成超流氦的气液相分离,实现空间液体有效管理的重要基础。
　　对烧结金属多孔材料的各项性能参数进行了系统研究,测试了多孔材料的孔隙率;在自然断裂表面扫描电镜(SEM)图像基础上进行图像处理与分析,得到面孔隙率以及平均孔径与孔径分布特征;设计了以达西定律为依据的实验系统对渗透系数和透气度进行测试,并系统分析了原始粉末粒度、孔隙率、厚度、低温工况、平均孔径以及孔径分布等因素对渗透性能的影响;使用hot disk热导测试装置测量了有效热导率,并与经验公式的预测结果作比较。结果表明,面积平均孔径与孔径分布特征能有效反映透气度的变化规律;厚度对烧结金属多孔材料的孔隙率和渗透系数有着重要的影响,厚度越小,原始粉末颗粒的直径越大,壁面效应越明显;低温工况不会改变烧结金属多孔材料的渗透性能。
　　开展了实验难度较大的液氮池沸腾实验,合理设计实验装置克服了低温密封、隔热等难点,迄今第一次获得了在光滑铜表面、颗粒烧结金属多孔表面和烧结泡沫金属表面上的液氮池沸腾换热实验结果。针对众多研究者在烧结多孔表面上池沸腾实验过程中得到的众多相互矛盾的结论进行了分析,确定换热规律;建立热阻模型描述了在不同池沸腾换热阶段的主要换热机理,并分析了流体工质、厚度、孔径等不同参数对沸腾换热的影响。对池沸腾过程中的迟滞现象进行了研究,并对换热表面上的气泡状况进行了可视化观察,有助于对换热规律的更深刻认识。获得了如下结论:(1)低温流体液氮的表面张力、接触角和饱和温度都相对较小,在很低的壁面过热度下就能在加热表面上形成大量气泡,开始核态沸腾换热过程。颗粒烧结多孔表面对沸腾起始阶段的换热强化不明显;烧结泡沫金属表面上存在大量有效汽化核心,且表面对流换热剧烈,池沸腾起始阶段的壁面过热度下降,换热系数增大。(2)在光滑表面上的液氮池沸腾的换热曲线满足典型的核态沸腾换热规律。烧结金属多孔表面上的池沸腾换热起始阶段换热系数较大,随着热流密度的增大,沸腾换热曲线趋于平缓,换热系数减小并维持基本不变。在热流密度较大区域,两种不同的烧结金属多孔表面都呈现出对沸腾换热的强烈抑制作用。(3)随着热流密度的增大,烧结金属多孔表面上的池沸腾换热经历核态沸腾阶段和表面沸腾阶段。在核态沸腾阶段,主要受到流体特征控制,换热表面的气泡生长所消耗的潜热以及气流扰动所导致的对流换热是最主要的换热机理。在表面沸腾阶段,控制烧结多孔表面上沸腾换热过程的主要换热机理是表面的核态沸腾换热和多孔层的气膜导热。(4)烧结多孔结构所产生的毛细抽力,可以不停地维持冷却流体供应,使表面核态沸腾状况能够长时间的维持下去,即使热流密度加到很大仍不会出现临界热流密度CHF状况。(5)烧结多孔层的厚度越大,对气泡的阻碍越大,越容易在多孔层内部形成气膜,表面的池沸腾更早进入表面沸腾阶段。(6)迟滞现象主要在核态沸腾换热过程中发生,并且对换热系数的削弱非常明显,表面沸腾过程中没有观察到明显迟滞现象。
　　对烧结金属多孔材料制成的多孔塞分离器在低温流体超流氦中的相分离特性进行了研究,运用超流氦二流体模型和Hagen-Poiseuille定律等对多孔塞相分离器流量特性进行了理论分析,并针对不同厚度和渗透率的多孔塞进行了计算结果和实验结果的对比与分析。由此得到了通过烧结金属多孔材料相分离器的质量流量随温差的变化规律,并对渗透系数、厚度和氦浴温度等因素对相分离器流量特性的影响进行了研究。

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符 号 说 明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 烧结金属多孔表面上的池沸腾换热研究

1.3 低温流体的池沸腾研究现状以及低温流体的物性研究

1.4烧结金属多孔材料应用于超流氦多孔塞分离器的相关研究

1.5本文的工作

第二章 烧结金属多孔材料的主要性能参数研究

2.1 孔隙率

2.2 孔径与孔径分布

2.3冒泡法测量烧结金属多孔材料的最大孔径

2.4 烧结金属多孔材料渗透性能的测试与分析

第三章 烧结金属多孔材料表面上的液氮池沸腾特性研究

3.1 实验装置与实验方法

第四章 烧结金属多孔材料的超流氦相分离特性研究

4.1超流氦的特异性质和二流体模型

4.2烧结金属多孔材料在超流氦中的相分离特性

4.3多孔塞相分离器不同工作区域的相分离流体力学和传热特征

4.4相关尺寸参数、系统温度及压力对多孔塞相分离器的性能影响

第五章 结论与展望

5.1 总结

5.2 不足与展望

参 考 文 献

攻读学位期间发表的学术论文