微重力條件下泡沫金屬內池沸騰相變傳熱過程的研究

《微重力條件下泡沫金屬內池沸騰相變傳熱過程的研究》是依託東南大學，由施娟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微重力條件下泡沫金屬內池沸騰相變傳熱過程的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：施娟
• 依託單位：東南大學

中文摘要

泡沫金屬具有高孔隙率、高導熱率、微孔毛細作用力等特點，在航天熱控領域具有廣闊的套用前景。本項目基於X-射線斷層成像技術建立泡沫金屬三維模型，研究泡沫金屬的微觀結構特性；構建泡沫金屬內池沸騰相變傳熱過程的理論模型，採用格子-Boltzmann方法（LBM）研究基於孔隙尺度的泡沫金屬內池沸騰相變傳熱機理及汽液兩相動力學行為；開展地面常重力池沸騰實驗和落塔短時微重力池沸騰實驗，測試池沸騰傳熱性能，採用高速攝像儀觀測微孔尺度下的池沸騰過程中氣泡生成、生長、合併和脫離現象；重點研究不同重力情況下泡沫金屬微觀結構（孔隙率、連通性、曲迂度、孔徑分布等）對於池沸騰相變過程中傳熱傳質耦合過程的影響機理。項目的研究結果將揭示微重力條件下泡沫金屬內池沸騰相變過程中的氣泡動力學行為和相變傳熱規律，為泡沫金屬在航空航天等多種熱控場合的套用提供理論支撐和技術方法，在航空航天、能源等領域具有重要的研究意義。

結題摘要

隨著電子元器件的集成度越來越高，急劇增高的發熱功率密度對整個電子系統的工作穩定性產生著較大的威脅。沸騰換熱作為一種良好的相變散熱方式被廣泛套用於能源動力、航空航天等領域的設備散熱解決方案。泡沫金屬由於其高孔隙率和複雜的三維立方網狀結構特點，在強化池沸騰換熱方向具有較大的潛力。本項目採用化學氧化法製備極端潤濕性泡沫金屬。疏水性/親水性泡沫金屬表面的潤濕角可以分別達到148.7°和0°。同時，改性泡沫金屬表面覆蓋納米層。研究表明其表面上的花瓣狀納米片結構能夠增加泡沫金屬表面的成核點，同時對於超親水表面還增加了其毛細吸液能力。搭建了池沸騰實驗平台，研究常重力與微重力條件下泡沫金屬池沸騰換熱的傳熱傳質機理與氣泡動力學行為。研究表明：相比於光滑銅表面，由於泡沫金屬的骨架結構作用，降低了微重力條件下的氣泡脫離直徑，提升了氣泡脫離頻率；在中高熱流密度時，微重力下的傳熱性能比常重力明顯降低，而超親水泡沫金屬展現出了較強的沸騰換熱性能。採用格子玻爾茲曼方法，建立多孔介質內池沸騰傳熱傳質的理論模型並進行數值模擬，研究微重力對泡沫金屬內池沸騰相變傳熱過程中氣泡動力學行為及相變界面非穩定性動態演化過程的影響。模擬結果表明：重力場強度越大越有利於氣泡的上升，親水的多孔介質對氣泡浮升的阻力更小；在孔隙率不變的情況下，隨著多孔介質平均孔徑的增大，氣泡受到的阻力減小，速度增大。模擬結果與實驗中的可視化結果以及傳熱特性保持了很好的一致性。 本項目研究從本質上揭示了不同重力條件下泡沫金屬池沸騰傳熱的氣泡動力學行為和相變傳熱特性，對於進一步完善基於孔隙尺度的泡沫金屬沸騰傳熱基礎理論具有重要的科學意義，將為泡沫金屬池沸騰散熱方案的研製與設計最佳化提供理論依據，並為空間微重力下的兩相流傳熱設備的研發提供關鍵技術支撐。