相变材料导热系数强化及相变特性数值模拟研究

摘要

泡沫金属广泛应用于热沉，换热器以及储能蓄热系统。泡沫金属热物性主要受其微观拓扑结构的影响，本文根据泡沫金属的微观结构特点，分别建立了两种微观结构的泡沫金属模型，W-P模型和3DVoronoi模型来预测其整体有效导热系数。
　　W-P模型为理想规则周期性模型，而3DVoronoi模型则与实际结构接近。基于以上两种模型，论文对不同泡沫金属中填充石蜡相变材料的整体有效导热系数进行了模拟。研究结果表明，孔隙率不是影响泡沫金属有效导热系数的唯一因素，3DVoronoi模型预测结果相比于W-P模型更为准确，因为其孔径分布的不均匀性以及骨架结构与真实微观结构更为接近。在孔隙率非常高的情况下，泡沫金属也能非常有效的提高石蜡相变材料的有效导热系数。
　　为了更好的理解泡沫金属中固-液相变材料的传热机理，在孔隙尺度上探索新的实验方法和理论方法是非常必要的。本文结合表征单元法（W-P模型）以及有限元法研究了基于孔尺度泡沫金属/石蜡复合相变材料的相变融化过程。研究结果表明，泡沫金属可以强化石蜡相变传热过程，并且主要受其微观结构的影响。靠近热源与泡沫金属骨架的石蜡最先融化。石蜡的融化速率随着时间逐渐减小并且融化相界面有与泡沫金属骨架结构相平行的趋势。采用数值模拟的方法，我们可以迅速并且有效的得到石蜡相变材料在复杂结构中的相变传热过程。预期结果给研究人员提供了一种更为直接的了解多孔介质内部传热机理的研究方法，而且可以通过优化泡沫金属结构参数使得其在实际应用过程中可以实现更为高效的传热。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 泡沫金属有效导热系数研究现状

1．2．1 泡沫金属

1．2．2 泡沫金属有效导热系数计算方法

1．2．4 几种方法的优缺点

1．3 泡沫金属强化相变材料传热研究现状

1．3．1 相变材料

1．3．2 多孔介质强化相变材料有效导热系数研究现状

1．3．3 泡沫金属基复合相变材料传热过程研究现状

1．3．4 研究现状分析

1．4 课题研究内容

第2章 预测泡沫金属有效导热系数的W-P模型

2．1 几何模型的建立

2．2 数学模型

2．3 数值计算方法

2．3．2 材料物性参数

2．3．1 网格生成及网格独立性验证

2．4 结果与讨论

2．4．1 孔径对有效导热系数的影响

2．4．2 模型有效性验证

2．5 本章小结

第3章 Voronoi图构建多孔介质模型

3．1 2DVoronoi图构建多孔介质

3．1．1 石墨泡沫／石蜡有效导热系数

3．1．2 温度和孔隙率对导热系数的影响

3．1．3 孔尺寸对导热系数的影响

3．2 3DVoronoi图构建多孔介质

3．2．1 泡沫金属原胞几何模型

3．2．2 数值模拟方案

3．2．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第4章 复合相变材料融化过程数值模拟

4．1 物理模型

4．2 计算参数设置

4．3 结果与讨论

4．3．1 液相分数和温度分布云图

4．3．2 监测点温度变化曲线

4．3．3 热流密度变化曲线

4．3．4 液相分数变化曲线

4．3．5 泡沫金属不同孔隙率对相变传热过程的影响

4．3．6 自然对流对复合相变材料传热过程的影响

4．4 本章小结

第5章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢