不同倾角下通孔金属泡沫强化蓄热实验研究

为了研究不同倾角下纯石蜡及通孔金属泡沫内嵌石蜡熔化过程的特性规律,搭建了固液相变可视化实验系统,利用该系统对蓄热过程中相界面的迁移进行了观察及记录,以探索不同倾角下自然对流对石蜡相变蓄热过程影响的作用机制。实验结果表明:在相变换热装置倾角不为零(θ≠0°)状态下固液相界面由于液体区域内自然对流的影响而呈现倾斜状态;在水平(θ=0°)状态下固液相界面宏观上基本水平,纯石蜡水平熔化时微观呈现锯齿状相界面;不同倾角对纯石蜡熔化过程具有很大影响,随着θ逐渐减小,相变材料完全熔化时间越来越短,水平时纯石蜡熔化时间比30°、60°及90°倾角时分别减少14.77%、25%和34.16%。倾角对石蜡内嵌金属泡沫蓄热过程的影响可以忽略不计。     

旋转机制对三管储能系统凝固特性影响的数值研究

为了提高三管潜热储能系统的凝固性能，本文将旋转机制应用到其凝固过程中并开展了相应的数值模拟研究。通过实验数据对数值模型的准确性进行了验证，深入探究了旋转对放热过程液相分布、温度分布和流速分布的影响；对比分析了无旋转状态和不同转速下，三管潜热储能系统凝固放热过程的液相演化、热能释放总量及热能释放速率。研究结果表明：旋转机制的加入能有效地降低相变材料凝固时间且增大热能释放速率，但在单个凝固周期内总热能释放量略有降低；相比于静置状态，0.50 r/min转速下相变材料凝固时间缩短了78.10%,该转速下的热量释放速率是静止状态的4.45倍，但总热能释放量降低了2.52%。本文研究结果为旋转机制在三管潜热储能系统中的设计和应用提供了参考。     

泡沫金属/翅片填充管蓄热性能的实验研究

为了研究蓄热装置内填充复合相变材料后的蓄热性能,设计了一种填充通孔泡沫金属和环形翅片的圆柱形蓄热罐,搭建了固液相变储热实验系统,并基于此系统对其熔化过程进行了实验研究,记录了相变材料内的实时温度响应数据。研究结果表明:与泡沫金属管相比,泡沫金属/翅片管加速了石蜡的熔化过程,缩短了整体相变时间;在实验工况下,完全熔化时间减少16.7%;然而,翅片的加入虽加速了顶部石蜡的熔化,但会抑制底部石蜡的熔化,使得石蜡内部不同高度间的温差扩大,温度均匀性降低;此外,通过提高流量可以显著增强装置的蓄热响应速度,从而提高最终稳定温度。     

高孔隙率通孔金属泡沫有效导热系数的实验和理论研究

为了研究高孔隙率通孔金属泡沫中的热传导特性及预测有效导热系数,发展了一种新的全解析有效导热系数模型。该模型通过建立更真实的十四面体三维结构作为代表单元,解析求解代表单元内稳态傅里叶热传导方程获得通孔泡沫铝的有效导热系数。该模型不含任何拟合或经验参数,有效导热系数与孔隙率之间具有简单的线性关系,且比例系数阐释了热曲折率的大小。高孔隙率下,模型预测与实验测量和文献数据吻合良好。研究结果表明:对于具有大导热系数比的实心杆与流体相(如充满空气的泡沫铝),流体相的传热可忽略不计,热量沿着曲折金属杆的一维传导占主导地位。在忽略自然对流和辐射传热时,泡沫铝有效导热系数基本不受孔密度及杆截面形状的影响。在所研究的温度范围内,泡沫铝有效导热系数可视为常数。     

通孔金属泡沫强化蓄冰实验研究

为了研究通孔金属泡沫内嵌相变材料凝固过程特性及泡沫材料孔结构参数对凝固过程的影响,搭建了固液相变传热可视化测量系统,利用该系统就通孔铜泡沫强化蓄冰过程开展了实验研究。实时观测了凝固相界面的瞬态移动过程,测量了金属骨架表面和内嵌相变介质的实时温度,研究结果表明:铜泡沫可有效改善蓄冰后期传热恶化现象,大幅减少蓄冰时间,加入铜泡沫后,结冰所需时间与纯水工况相比减少为48.86%(孔密度为1 181m~(-1),孔隙率为0.90)和60.97%(孔密度为1 181m~(-1),孔隙率为0.97);铜泡沫的孔隙率对结冰过程影响较大,孔隙率为0.90的铜泡沫比孔隙率为0.97的铜泡沫中水完全凝固时间减少20%,而孔密度对结冰过程影响可忽略不计。可视化结果表明,未凝固相局部自然对流导致凝固相界面发生倾斜,呈现下部略快于上部的凝固界面。     

金属丝网编织Kagome自然对流实验研究

为了研究金属丝网编织Kagome(WBK)热沉自然对流换热性能及其影响因素,对WBK热沉进行了大空间稳态自然对流实验研究。鉴于WBK热沉结构上强烈的各向异性,在不同面烧结铝基板进行总传热热阻测量。设计搭建了具有0°~90°任意旋转功能的实验台,对不同倾角下的自然对流换热热阻进行了测量。作为参照,选取与WBK热沉相同尺寸的光板进行了稳态自然对流热阻测量。研究结果表明:与光表面相比,WBK芯体具有更高的比表面积,可以有效地降低自然对流换热热阻,为光表面的42%左右。WBK芯体3个方向的对流换热热阻不同,显示出强烈的各向异性,具有适中堵塞率(迎风面积)的o-b方向具有最小的热阻。在0°~90°倾角内,WBK芯体在3个方向均存在一个最佳倾角,约为50°,相应的换热热阻最小。