喷泉作文-重阳节手抄报内容

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多孔泡沫金属表面强化空气对流换热的实验研究
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施明恒，陈振乾
东南大学能源与环境学院，江苏南京（210096）
摘 要 ：本文对空气流过泡沫金属表面的换热特性进行了实验研究。泡沫金属试件是一个泡
沫铝园盘。实验表明 ，泡沫多孔壁面对空气对流换热过程具有明显的强化作用，与光表面相
比，无论是自然对流还是强制对流 ，换热的强化效果都在20％以上。泡沫多孔壁面强化空
气对流换热的机理是主流以外的二次流和微对流 所引起的附加换热作用。可以预期，泡沫多
孔壁在提高各类风冷器和太阳能通风壁空气对流换热过程中有 广阔的应用前景。
关键词： 泡沫金属，对流换热，强化传热，实验研究
1. 前言 在可再生能源的利用中，提高可再生能源的利用效率是可再生能源规模化利用中迫切需
要解决的一个 首要问题。其中，最关键的是要尽可能地提高可再生能源利用中各类热量交换
和传递过程的效率和强度。 因此，各类强化换热的新材料和新技术已成为可再生能源利用领
域的一个研究热点。多孔泡沫金属材料由 于其特有的性能，在蓄能和强化换热中受到了人们
的广泛关注。多孔泡沫金属表面和内部呈现大小不一的 空洞，空洞可以是闭孔，也可以是互
相沟通的开孔。在开孔的情况下，多孔泡沫金属材料的容重很小，可 以浮在水中。由于其内
部充满空气，泡沫金属的导热系数比金属的导热系数要小一个数量级以上。从强化 换热的角
度看，泡沫金属是一种十分理想的强化换热材料，而从保温的角度来说，泡沫金属又是一种有效的隔热介质。近年来，关于泡沫金属的传热与力学特性的研究已经受到了学术界和工程
界的广泛 关注。其中对泡沫金属内部的对流和相变换热的研究已有不少的报道
[1―5],
但是对于在可再生能源利用中具有重要应用前景的沿泡沫金属表面外部对流换热、泡沫金属储能和
强化能量 交换的研究还少有报道。例如，在太阳能的被动利用技术中，太阳能通风壁（特朗
伯墙）虽然已得到了广 泛的应用，但是如何提高集热墙的畜热能力和提高集热墙表面与夹层
空气间的对流换热一直是人们研究的 热点。初步分析表明，采用泡沫金属层有可能达到上述
目的。为此，本文将对空气流过泡沫金属表面的换 热特性进行实验研究，为各类空冷器和新
型太阳能通风壁的设计提供理论基础。
2. 实验系统和实验方法
泡沫金属对流换热实验系统由泡沫金属试件、加热器、风机和测试系统所 组成，如图1
所示。泡沫金属试件是一个泡沫铝园盘，直径70 mm, 厚度为10 mm。泡沫铝为开孔结构，
最大孔径（当量直径）为5 mm，最小孔径为1 mm, 空隙率为70% 。泡沫金属试件被一环形
电加热带所包围，外侧为绝热层，固定在一可转动的胶木板架上，泡沫金属试件 可以位于垂
直或水平位置，分别进行自然对流和强制对流实验。在泡沫金属试件的中心到外缘，分别埋< br>设了四对直径为0.2 mm的镍铬－镍铝热电偶，用于测量试件的表面温度。空气平均流速由
热 线风速计在距试件表面中心上方3cm处测定。
实验时先对同样材料和尺寸的实心平园盘进行 对流换热实验，然后在同样的加热与送风
条件下对泡沫金属试件进行对流换热实验。经分析，温度测量误 差不超过 ±0.5 °C, 空气流
速的测量误差为 ±0.1 ms, 加热功率由精度为1级的功率表测量，误差为1.0％。


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本课题得到高等学校博士点基金资助 (2004 0286029)。
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图1 实验系统
1．胶木板架 2. 泡沫金属试件 3绝热层 4 加热器 5 热电偶 6 轴流风机 7.数据采集系统
3. 实验结果和分析
3.1 垂直放置时泡沫金属表面自然对流换热特性
图2 是泡沫金属试件 垂直放置时表面空气自然对流换热系数随表面平均温度的变化曲
线。图上同时给出了实心平表面上的空气 自然对流换热系数。由图可知，在垂直放置时泡沫
金属表面的平均对流换热系数比平表面大约增大25％ 。无论是多孔表面还是平表面，空气
自然对流换热系数都随壁面温度的升高而升高，并且具有相同的变化 规律。

图2 垂直放置时泡沫金属表面的自然对流换热特性
( ∆ 多孔壁面， ♦光表面，Gr=(0.5 ⎯ 3.5)× 106)
3.2 水平放置时泡沫金属表面自然对流换热特性
图3 是泡沫金属试件水平放置时表面空气自然对流换热 系数随表面温度的变化曲线。
由图可知，水平放置时泡沫金属表面空气自然对流换热的强化作用比垂直放 置时更为明显，
平均对流换热系数比平表面增大30％左右。同时，泡沫金属表面对流换热的强化作用随 着
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壁温的升高而增大。因此，对于电子设备冷却 中大量采用的铝制散热器，如果将平肋面改为
多孔表面，可望大大提高其散热能力。

图3水平放置时泡沫金属表面的自然对流换热特性
( ∆ 多孔壁面， ♦光表面，Gr=(0.5 ⎯ 3.5)× 10
6
)
3.3 垂直放置时泡沫金属表面的强制对流换热特性
图4给出了空气沿垂直放置的泡沫金属表面流动时的强制对流换热实验结果。 由图可
见，在强 制对流工况下，垂直放置的泡沫金属表面对空气对流换热的强化效果非常明显，达
到一倍以上，并且随着 气流速度的增加，强化换热的效果也有所增大，但是壁面温度的变化
对换热系数的值几乎没有影响，这和 实际情况是符合的。在实验的雷诺数范围内，换热系数
主要取决于空气的流速。对于泡沫多孔壁面，气流 速度的影响比光表面更为明显。

图4 垂直放置时泡沫金属表面的强制对流换热特性
ms, Re=6.4×10
3

多孔壁面，• V=1.4 ms, Re=4.9×10
3
;

∇ V=1.8
光表面 ♦ V=1.4 ms, Re=4.9×10
3
V=1.8 ms, Re=6.4×10
3


3.4 水平放置时泡沫金属表面的强制对流换热特性
图5给出了空气沿水平放置的泡沫金属表面流动时强制对流换热的实验结果。 由图可
见，在强制对流工 况下，水平放置的泡沫金属表面对空气对流换热也有强化作用但是这种强
化作用比垂直放置时要小。壁面 温度的变化对换热系数的值也没有影响。在实验的雷诺数范
围内，泡沫金属表面的对流换热系数随空气流 速的增加稍有增加，但光表面则几乎不变。
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图5 水平放置时泡沫金属表面的强制对流换热特性
多孔壁面，• V=1.4 ms, Re=4.9×103; ∇ V=1.8 ms, Re=6.4×103
光表面 ♦ V=1.4 ms, Re=4.9×103 V=1.8 ms, Re=6.4×103
4. 泡沫金属表面对流换热强化机理探讨
泡沫金属表面对流换热的 强化对于许多空气加热或冷却过程具有重要的应用前景，因此
弄清泡沫多孔表面对流换热强化的机理，对 于各类对流换热元件的设计和结构优化都有重要
的意义。本文将在上述实验研究的基础上，对空气沿泡沫 多孔表面对流换热的强化机理进行
分析和讨论。
由于泡沫多孔材料结构的不均匀性和空隙分布 的随机性，空气在多孔结构内部和表面附
近的流动状况十分复杂。从总体上来说，可以认为泡沫多孔表面 对流换热的强化是由于在壁
面附近存在气体主体以外的二次流的附加换热效应。这种二次流附加换热效应 可以分成下列
两类特征不同的强化换热工况。
4.1 对流发散换热工况
在多孔壁 迎风侧面也是多孔透气的条件下，空气沿泡沫多孔表面的强制对流换热，除了
常规的通过流动边界层的对 流换热作用以外，还存在着通过多孔壁内部空隙的附加换热过
程，如图6所示。在通过多孔壁有质量流入 边界层的情况下，绕多孔平板的强制对流层流流
动可以由下述微分方程组来描述
【
6< br>】
，它们是：
连续性方程
∂u∂v
+=0
（1）
∂x∂y
∂u∂u∂
2
u
+
ρ
v=
µ
2
（2）
动量方程
ρ
u
∂x∂y∂y
∂T∂T∂
2
T
+v=a
2
（3）
能量方程
u
∂x∂y∂y
边界条件为
y = 0, u = 0, T = T
W
v = f(x)
y
→∞
, u = u
∞
T =T
∞

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图6 泡沫多孔壁的对流发散换热


只要知道了通过多孔壁面的气体发散速度v 的分布函数f(x)，上述方程组就可以进行求
解， 从而可以得到边界层内气体的温度分布和局部换热系数。显然，气体发散速度v 的分
布函数f(x)与 多孔泡沫的空隙结构有关。气体的发散换热效应可以大大提高空气沿泡沫多孔
表面的对流换热强度。
4.2 微对流换热工况
当多孔壁面的迎风侧面不是多孔透气的情况或者壁面 处于自然对流的条件下，多孔壁上
除了常规的气体对流换热作用以外，还存在着由于多孔壁内部气体受热 膨胀产生的密度差所
引发的气体微对流运动，如图7所示。这种微对流运动使原有的对流边界层中的流体 发生扰
动，从而使对流换热得到强化。显然，这类微对流运动的强弱与多孔壁面的空隙结构有直接
的关系，目前尚难用解析的方法进行计算与预测。但是可以利用实验的手段，直接得到特定
结构多孔壁 面强化对流换热系数的实验关联式，可以用来进行相关的设计计算。

图7 泡沫多孔壁流体边界层中的微对流
5. 结论
本文通过实验测定，证明了泡 沫多孔壁面对空气对流换热过程具有明显的强化作用。与
光表面相比，无论是自然对流还是强制对流，换 热的强化效果都十分明显。表明泡沫多孔壁
面是一种强化通道中空气对流换热的有效手段。在可再生能源 的利用中有广阔的应用前景。
泡沫多孔壁面强化空气对流换热的机理是主流以外的二次流和微对流所引起 的附加换热作
用。


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参考文献
[1] Grujicic1 M., et al, Heat transfer and effective thermal conductivity analyses in carbon-based foams for use in
thermal protection systems. Journal of Materials: Desigen and Applications, 2005,219:1-15
[2] Calmidi V.V., Mahajan R.L., The effective thermal conductivity of high porosity fibrous matal foams. ASME
Journal of Heat Transfer, 1999, 121: 466-471
[3] Calmidi V.V., Mahajan R.L., Forced convection in high porosity metal foams. ASME Journal of Heat
Transfer, 1999, 122: 557-561
[4] Zalba B., et al., Review on thermal energy storage with phase changes: materials, heat transfer analysis and
applications. Thermal Applied Engineering, 2003, 23: 251-283
：1016－1018
[5] 邱海平,施明恒, 泡沫铝翅片传热和流动特性的实验研究, 工程热物理学报
，
2005，26（6）
[6] Rohsenow W. M., Hartnett J.P. and Ganic E. N., Handbook of heat transfer., McGraw-Hill Book
Company,1985, Chapter1, 13-24




An Experimental Study of Convective Heat Transfer on a
Metal Foam Surface
Shi Mingheng，Chen Zhenqian
Soueast Univesity，Nanjing，（210096）
Abstract
The characteristics of convective heat transfer of air passing through a metal foam surface are studied
experimentally. The test unit is an aluminum foam desk. The results show that the porous surface of
metal foam can enhance the convective heat transfer of air obviously. Comparing with a plate surface
the convective heat transfer of air can be enhanced more than 20% for metal foam. The mechanism of
heat transfer enhancement for a porous surface of metal foam can be considered as a additional heat
transfer effect caused by the second flow and micro convection of air. It is prospected that the metal
foam can be used for enhancing convective heat transfer in different air coolers and solar energy
utilization.
Keywords：metal foam, convective heat transfer, heat transfer enhancement, experimental study
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