开孔泡沫金属强制对流换热数值模拟.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号:083248 开孔泡沫金属强制对流换热数值模拟 1 蒋磊,王跃社,王敬轩西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安 710049 Tel: 029-82668767 E-mail: ******@. 摘要: 本文基于 Gibson-Ashby 多孔材料本构模型,提出了一种开孔泡沫金属强制对流换热直接数值模拟的新方法,探索多孔材料的力学行为与热物理特性研究的一体化模型体系。分别对孔径为 、 , 孔隙率分别为 、 的两种开孔泡沫金属的实验研究对比,模拟结果表明流动压降的模拟误差在 5%-10% 以内,传热的模拟也基本能控制在 20% 的工程允许范围以内,验证了用本构模型研究多孔介质传热性能的可行性。关键词: 泡沫金属,强制对流,强化换热,直接数值模拟 0 前言 多孔泡沫金属是一种以金属为基体, 包含大量胞孔的新型轻质多功能材料。开孔泡沫金属内部为连续的金属三维立体网络,且孔隙率一般为 50%~75% ,有的甚至高达 90以上,因此具有良好的导热性,可以作为一种良好的强化换热的措施,在电子、化工领域均有广阔的应用前景[1,2]。相对于国外已对开孔金属泡沫的应用特性的深入研究,国内的研究主要仍集中在力学性能方面,对其传热性能的研究仍处于起步阶段。目前所涉多孔泡沫金属的流动与传热分析基本基于 Dracy 渗透模型,而基于本构模型的直接数值模拟则相对较少,使得力学行为的和热学应用的研究模型处于不统一的状态。 Diedericks和 du Plessis( 1997) [3]、 Smit和 du Plessis( 1999) [4]、 du Plessis( 1994) [5]以简单立方体模型为基础的流动研究, 取得了一定的成绩。 ( 2003) [6]建立了泡沫金属的十四面体模型,并对其中的流动情况进行了分析。 Pei-Xue Jiang和 Xiao-Chen Lu( 2005) [7]用圆球模型描述多孔介质的流动与传热,取得了良好的结果。然而圆球模型仅适用于一些特殊的多孔介质,并不具有普遍性。本篇文章试图从多孔泡沫金属基本结构出发,建立三维的基本模型,对单相强制对流换热进行数值模拟研究,为实现研究多孔材料的力学结构模型和热物理特性模型的一致性打下基础,为泡沫金属的热设计和热应用提供依据。 1 基于本构模型的强制对流换热模型 Gibson-Ashby 模型 Gibson和 Ashby [8]提出用反映弯曲变形机制的立方体结构模型来模拟开孔和闭孔泡 1国家重点基础研究发展计划( 973 计划)资助项目( 2006CB601203) 沫材料的力学行为,较为系统地研究了泡沫材料的弹性性质。 Gibson-Ashby 模型结构如图一所示。一个孔隙单元由 12 条棱(棱 1~12 )成, 而一个结构单元由一个孔隙单元和 12 条半棱(棱 13~24) 成,其中每个孔棱均有正交与其中的孔棱相连接。一个结构单元仅有两个孔径的尺度,对于一定长度的泡沫金属试件,可引进周期性假设,以简化计算过程。对于位置矢量,周期性假定有如下形式: ()( )( ) ??????= +