开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验研究

采用光学显微与红外热成像技术对开孔泡沫铝内石蜡的融化相变过程进行了可视化实验,更加直观地考察泡沫铝强化石蜡传热性能,并重点分析泡沫金属微观孔隙结构下石蜡融化界面演化、融化液相流体流动及温度分布特征。研究结果表明：相变材料中填充泡沫金属可有效降低导热热阻、强化相变传热;与纯石蜡系统相比,石蜡/泡沫铝复合材料系统温度分布更加均匀,具有更好的热响应性能。与纯石蜡系统存在明显的融化前沿界面相比,石蜡/泡沫铝复合系统中融化区与非融化区交错分布,融化界面相对模糊。此外,实验还观测到泡沫铝内石蜡融化液相中存在大量片絮状悬浮物现象。     

TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料蓄热过程数值模拟及实验

传统相变材料受限于自身热导率小,其相变蓄热效率难以提升,通过在相变材料中添加具有高热导率的金属多孔结构是强化传热的重要手段之一。本文建立了三周期极小曲面（triply periodic minimal surface,TPMS）多孔铝-石蜡复合相变材料的三维、瞬态包含自然对流的相变蓄热模型,利用数值仿真结合实验的方法研究了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料在蓄热过程中的固液相界面演变规律、实时温度变化、热传输特性以及蓄热性能。结果表明,在纯石蜡中添加primitive杆状（primitive sheet,PS）、primitive壳状（primitive network,PN）两种TPMS多孔铝结构后,石蜡相变温度范围内出现明显的相变温度平台,PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的相变起始时间较纯石蜡分别减少了74.1%与91.4%,竖直方向上的最大温度梯度由纯石蜡的1605.7℃/m分别下降至PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的840℃/m、943.8℃/m,蓄热速率较纯石蜡分别提高3.10倍、4.69倍。最后,通过选区激光熔化（selective laser melting,SLM）技...     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术,对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象,追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上,考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响,分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明,相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置;组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象,不同相变材料可同时融化/凝固;与单一相变材料相比,组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性,提高了平均相变速率;组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量,但减小了温度变化速率,增强了系统的稳定性,并显著增加了潜热蓄热量,有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术，对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象，追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上，考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响，分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明，相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置；组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象，不同相变材料可同时融化/凝固；与单一相变材料相比，组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性，提高了平均相变速率；组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量，但减小了温度变化速率，增强了系统的稳定性，并显著增加了潜热蓄热量，有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

环形管填充金属泡沫强化相变蓄热可视化实验

针对管壳式相变蓄热器中换热基本单元——换热管开展了强化换热研究，通过在相变材料侧添加金属泡沫以强化蓄热。为了探索金属泡沫对相变蓄热过程强化的效果，设计搭建了相界面可视化的相变蓄热实验台，采用高清摄像机记录换热管内外侧相界面变化过程；通过在径向和轴向布置热电偶以获取相变过程的实时温度响应。测量了流速0.15 m·s^-1下光管和金属泡沫管的蓄热过程，实验结果表明：在相同实验条件（初温、入口流量/温度）下，添加金属泡沫能明显提高蓄热效率，达到相同蓄热效果下纯石蜡管所需时间是金属泡沫管的2.9倍；添加金属泡沫后各测点的温度响应速率均高于对照组，各测试点的温差更小且变化更均匀。     

泡沫金属在熔盐相变蓄热中的强化传热特性

搭建了熔盐蓄热特性实验平台,开展相变蓄热过程传热特性实验研究。建立了蓄热容器二维轴对称、瞬态固液相变数学模型,相变过程模拟采用Solidfication & melting模型,相变区域采用Boussinesq近似,对比了纯硝酸盐蓄热工况和填加泡沫金属后蓄热工况数值模拟结果。采用实验与数值模拟相结合的方法,重点分析了泡沫金属对熔盐蓄热过程的强化传热作用。结果表明,填加泡沫金属能够有效提高熔盐换热速率,泡沫金属孔隙率越小强化蓄热效果越显著。泡沫铜的热导率较高,相对于泡沫镍和泡沫铝有更好的强化传热效果,蓄热速率是纯硝酸盐蓄热的1.6倍。在相变蓄热后期自然对流换热占主导地位,此时泡沫金属会抑制自然对流。同时,填加的泡沫金属越靠近容器中心位置,对自然对流抑制作用越强,蓄热性能越差。     

环形管填充金属泡沫强化相变蓄热可视化实验

针对管壳式相变蓄热器中换热基本单元——换热管开展了强化换热研究,通过在相变材料侧添加金属泡沫以强化蓄热。为了探索金属泡沫对相变蓄热过程强化的效果,设计搭建了相界面可视化的相变蓄热实验台,采用高清摄像机记录换热管内外侧相界面变化过程;通过在径向和轴向布置热电偶以获取相变过程的实时温度响应。测量了流速0.15 m·s~(-1)下光管和金属泡沫管的蓄热过程,实验结果表明:在相同实验条件(初温、入口流量/温度)下,添加金属泡沫能明显提高蓄热效率,达到相同蓄热效果下纯石蜡管所需时间是金属泡沫管的2.9倍;添加金属泡沫后各测点的温度响应速率均高于对照组,各测试点的温差更小且变化更均匀。     

泡沫金属铜/石蜡相变蓄热过程的数值模拟

在装有纯石蜡的相变蓄热箱中加入泡沫金属铜,利用Fluent软件,模拟研究石蜡相变蓄热箱在加入泡沫金属铜后,箱内石蜡温度分布的均匀性、稳定性及相变蓄热的变化规律。模拟结果显示,泡沫金属铜的加入,大大提高了石蜡的蓄热性能,缩短了石蜡相变的时间;且加入泡沫铜后,石蜡内部温差明显减小,温度分布更加均匀,并且有效缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。数值模拟结果与实验测试数据平均误差15.7%,与实测值吻合较好。     

泡沫金属铜/石蜡相变蓄热过程的数值模拟

在装有纯石蜡的相变蓄热箱中加入泡沫金属铜，利用Fluent软件，模拟研究石蜡相变蓄热箱在加入泡沫金属铜后，箱内石蜡温度分布的均匀性、稳定性及相变蓄热的变化规律。模拟结果显示，泡沫金属铜的加入，大大提高了石蜡的蓄热性能，缩短了石蜡相变的时间；且加入泡沫铜后，石蜡内部温差明显减小，温度分布更加均匀，并且有效缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。数值模拟结果与实验测试数据平均误差15.7%，与实测值吻合较好。     

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料,通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象,提取对称结构进行可视化设计,对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程,追踪二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金属后的复合材料的内部温差明显减小,温度分布均匀,蓄热热通量显著增大,有效缩短相变时间并缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

相变蓄热电采暖结构模拟研究

相变蓄热层是相变蓄热电采暖结构的核心层,蓄热层中的储能材料以显热或相变的方式吸收,当一定的时间温度降到相变点,通过交换介质以导热、对流和辐射的方式将储存的热量释放给热用户。本实验将探究相变热过程中的理论蓄热、散热,先在GAMBIT软件中进行几何建模,网格划分,边界设定,完成模拟前处理。运用Fluent软件模拟蓄热层为纯石蜡微胶囊、蓄热层为泡沫金属铜/石蜡微胶囊复合相变材料的蓄热过程。结果表明,蓄热层中添加泡沫金属铜与石蜡微胶囊,强化了传热效果,解决了石蜡微胶囊导热率低的问题。与纯石蜡微胶囊对比,加快了相变响应时间,同时,导热效果更加明显。     

新型金属泡沫-微柱群复合热沉内流动传热性能分析

高效热管理技术是大功率微电子设备安全运行的可靠保障。为进一步强化高功率电子器件的冷却效果,本文提出了一种新型泡沫铝-微柱群复合热沉结构。采用实验和数值模拟相结合的方法对新型水冷泡沫铝-微柱群复合热沉内的流场分布、壁面温度分布、阻力系数、换热性能及柱鳍与泡沫铝间的耦合传热规律等开展了深入分析。研究结果表明,与传统微柱群热沉相比,20PPI泡沫铝-微柱群复合热沉的壁面最高温度大幅降低,平均换热性能提升了33.9%~41.5%。然而,微柱群内填充泡沫铝却导致流动阻力增大,增加了7.9~10.5倍。泡沫铝-微柱群复合热沉的强化换热机理为：微柱群热沉内填充高热导率泡沫铝提升了热沉整体的有效导热性能,热量可通过金属泡沫固体骨架迅速传递,同时多孔界面较强的传热能力能够保证热量及时被冷却流体散除。本文相关研究成果可为高热流密度电子器件散热装置的研发提供理论指导。     

高孔隙率泡沫铜强化相变材料熔化特性

为了研究纯石蜡与泡沫铜/石蜡相变复合材料吸热熔化性能的不同,探究泡沫铜对石蜡熔化换热过程的影响,本文对纯石蜡和孔隙率为0.98的高孔隙率泡沫铜/石蜡复合材料的相变熔化过程进行了可视化实验研究,并数值模拟分析了纯石蜡及泡沫铜/石蜡复合材料熔化过程。结果表明：复合材料与纯石蜡的液相率变化出现交点,即临界液相率值,此时复合材料具有的液相占比与纯石蜡液相占比相同;泡沫铜的填充能明显改善纯石蜡传热系数低的问题,加快相变材料的整体熔化速率,当热通量为1200W/m2时,孔隙率为0.98的泡沫铜填充使纯石蜡完全熔化时间缩短了约12.5%,并使整体温度分布更均匀,改善热分层现象,且复合材料最大温差比纯石蜡最大温差低约27.5K。     

蓄冰球中填充泡沫铝的融化相变传热过程的数值模拟

建立了蓄冰球中填充泡沫铝的融化相变过程自然对流模型,模型中考虑了固相与液相密度差和自然对流的影响。数值模拟了以铝为骨架、冰为填充相的单个冰球的二维融化过程,得到了在第三类边界条件下蓄冰球融化过程的温度场和相界面移动规律,并与只填充纯冰的蓄冰球传热过程进行比较,同时分析了泡沫铝的孔隙率对融化时间的影响。     

高孔密度下泡沫铜的填充率对石蜡融化传热机理的影响

基于石蜡和高孔密度的泡沫铜制备了复合相变蓄热材料,设计并搭建了一套可视化蓄热实验装置,分析了高孔密度下泡沫铜填充率对石蜡相变过程的强化传热机理,得到了复合相变蓄热材料的综合传热系数。实验结果表明,当泡沫铜填充率为0、0.43%、1.29%和2.15%时,复合相变材料的综合传热系数先减小后增大,分别为1.26W/(m·K)、1.18W/(m·K)、1.44W/(m·K)和1.88W/(m·K),因此随着泡沫铜填充率的增加,复合相变材料的融化时间先增长后缩短。此外,随着泡沫铜填充率从0.43%增至2.15%,复合相变材料融化时传热机制中导热占比从17.26%上升到86.01%,自然对流占比从82.74%下降到13.99%。     

多孔介质冰蓄冷板的融化过程

模拟研究了泡沫铝、泡沫铜、网状聚氨酯泡沫的孔隙参数对多孔介质冰蓄冷板的融化过程的影响,得到了第三类边界条件下多孔介质冰蓄冷板融化过程的时间、温度分布、相界面移动等的规律。结果表明,多孔介质热导率越高,温度分布越均匀,相界面越模糊,冰蓄冷板融化时间越短;融化时间随多孔介质孔隙率的减小和孔密度的减少而缩短,孔隙率的影响程度大于孔密度;与纯冰相比,本研究中泡沫铜最多可将冰蓄冷板融化时间缩短15.2%。多孔介质热导率越低,冰蓄冷板的融化时间越长;融化时间随着孔密度的增加而缩短,随孔隙率的减小而略增;与纯冰相比,本研究中网状聚氨酯泡沫最多可将冰蓄冷板释冷时间延长11.8%。最后对填充泡沫铜和网状聚氨酯泡沫冰蓄冷板的融化时间进行了试验验证,试验结果与模拟结果较为一致。     

孔隙分布对分形泡沫金属基相变材料传热特性的影响

基于分形理论,采用Sierpinski分形结构来模拟分形泡沫金属的孔隙结构。以泡沫金属为基体,孔隙中填充相变材料,通过数值计算比较了相同孔隙率和分形维数但不同孔隙结构分布规律的泡沫金属基相变材料在恒热流边界条件下的传热特性差异,得到了在传热过程中相变材料的相变率随时间变化及其相场分布情况云图。结果表明：当泡沫金属存在开口孔且所在位置处于热流边界时,孔隙中相变材料的传热速率明显大于不存在任何孔隙处于热流边界的情况;当泡沫金属不存在孔隙处于热流边界时,随着泡沫金属比表面积的增大,孔隙中相变材料传热速率增大;且分形体的分形级数越高,孔隙分布规律对其传热性能的影响程度越大。     

固-液相变传热强化过程研究进展

相变热控技术是从20世纪60年代航天热控技术演变而来,通过相变将热量储存或释放从而达到控制温度的目的。但是由于部分相变材料的导热系数低,使系统的储能和释能时间增加,不利于有效控制系统的温度。这种系统只适用于功率不高且功率周期性变化的场所,针对这个问题,国内外学者进行了大量研究,文章对近几年国内外强化相变传热的大量研究进行了综述。介绍了三种主要的强化传热方法,分别是泡沫金属、金属固体和金属翅片、膨胀石墨。并探讨了强化相变传热中存在的问题。     

板泡式换热器对流与导热耦合换热的数值模拟

由于在结构和强化传热方面的优越性,开孔泡沫金属在换热器行业中具有很大的应用潜力。为了探究板泡式换热器的强化传热机理,建立了泡沫金属微尺度几何模型,采用商业软件Fluent 12.1对板泡式换热器内流体流动进行了数值模拟,通过计算其速度、温度和压力分布,分析了换热器内对流与导热的耦合换热情况。研究结果表明:泡沫金属复杂的三维立体结构强化了流体的扰动,增强了二次流,起到了强化传热的作用;泡沫金属与流体分界面分别采用恒壁温和耦合换热2种边界条件时,其温度分布呈现不同特点,耦合换热边界条件更能真实反映实际温度分布情况;去除进口效应的影响,中间段流体的压力梯度随单胞模型呈周期性变化。这为板泡式换热器的设计提供了一定的依据和指导。     

基于碳纳米材料协同强化型复合相变材料的动力电池组传热特性

研制了一种基于石墨烯与碳纳米管掺杂的复合相变材料（CPCM）,对比分析了高放电倍率下（3C）不同环境温度时基于纯相变材料（PCM）与复合相变材料的锂离子动力电池组的热性能。实验结果表明,当环境温度分别为30℃、35℃和40℃时,由于石墨烯与碳纳米管的协同强化传热,与基于石蜡的电池组相比,电池组的最高温度分别下降了0.6℃、0.8℃和3.8℃。同时也发现,电池组中间位置电池温度高于周边电池,复合相变材料可以降低电池组的温差,尤其在环境温度较高时效果更为明显,如在环境温度为40℃时,填充材料为纯相变材料与复合相变材料时电池组的最大温差为6℃和3.5℃,与采用纯石蜡作冷却介质相比,填充复合相变材料可以使电池组最大温差下降41.7%。