热辐射效应对泡沫金属有效导热系数的影响

论文摘要

作为一种新型的结构材料和功能材料,泡沫金属由于其良好的机械性能和电磁性能已被广泛应用于航空航天、机械、电子等领域。在其实际应用过程中常需综合考虑包括其热性能在内的多种物理特性,研究泡沫金属有效导热系数的和传热机理对其热物性的理论预测以及泡沫金属的设计具有重要实用价值。目前国内外对泡沫金属内的导热和对流传热已经展开了较为广泛和深入的研究,但多数忽略了热辐射效应。很多情况下泡沫金属的使用温度较高,热辐射效应明显,甚至占据了主导地位。由于高温下导热与辐射传热的耦合效应,以及泡沫金属结构的特殊性,使得影响泡沫金属有效导热系数和传热方式的因素多而复杂,从而给其高温下热物性的预测和传热性能的优化设计带来很大困难。因此本文对热辐射效应对泡沫金属的有效导热系数和传热方式的影响展开了研究。为便于泡沫金属传热机理的分析,本文提出了一种多孔介质导热-辐射耦合传热的简化理论模型。通过相似性分析导出辐射传热影响有效导热系数的一组无量纲参数,计算得到了这组无量纲参数对有效导热系数和传热方式的影响规律,并分析了其物理意义和影响机制。根据泡沫金属的结构特点建立了简化三维几何模型,通过直接求解泡沫金属内的导热-辐射耦合传热,计算了其有效导热系数,研究了孔隙率、孔隙尺寸、温度等因素对有效导热系数的影响规律。然后将简化三维几何模型下相应无量纲参数影响规律与简化理论模型进行了对比验证。研究结果表明,高温下导热辐射比是影响有效导热系数的最主要因素,边界等温系数和孔隙表面发射率直接影响温度分布和耦合程度,有效导热系数随样品厚度的增大而增大,采用温度线性分布假设、Rossland扩散近似计算有效导热系数会引起较大误差,孔隙率和孔隙尺寸越大,有效导热系数对温度变化越敏感。同时,预测泡沫金属有效导热系数时需综合考虑孔隙几何形貌的影响作用。本文提出的简化理论模型可用于类比分析泡沫金属内的导热-辐射耦合传热和各因素对有效导热系数的影响机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 泡沫金属有效导热系数研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 理论预测模型
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 泡沫金属有效导热系数的数理模型和求解方法
• 2.1 类比泡沫金属传热的一维圆管模型
• 2.2 圆管模型传热的数学模型及求解方案
• 2.3 求解泡沫金属传热的三维模型
• 2.4 三维简化模型传热的数学模型及求解方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于圆管模型的有效导热系数分析
• 3.1 圆管模型导热-辐射耦合传热的相似性分析
• 3.1.1 导热-辐射耦合传热微分方程的相似性分析
• 3.1.2 辐射角系数的相似性分析
• 3.2 圆管模型传热求解方案验证
• 3.3 无量纲参数对有效导热系数的影响分析
• 3.3.1 辐射导热比的影响
• 3.3.2 边界等温系数的影响
• 3.3.3 发射率的影响
• 3.3.4 厚度系数的影响
• 3.3.5 孔固体积比的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 泡沫金属传热的三维直接模拟
• 4.1 边界条件设置及模型验证
• 4.2 宏观参数的影响分析
• 4.2.1 简化元胞几何结构的影响
• 4.2.2 孔隙率和孔隙密度的影响
• 4.2.3 平均温度的影响
• 4.2.4 样品厚度的影响
• 4.3 圆管模型与三维直接模拟的结果对比
• 4.3.1 辐射导热比影响的对比
• 4.3.2 边界等温系数影响的对比
• 4.3.3 发射率影响的对比
• 4.3.4 厚度系数影响的对比
• 4.3.5 孔固体积比影响的对比
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢