李林星，陳　威,宋忠源,朱　倩

( 1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.上海理工大學(xué) 理學(xué)院，上海 200093 )

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泡沫金屬對(duì)射流沖擊強(qiáng)化換熱的影響

李林星1，陳威1,宋忠源1,朱倩2

( 1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.上海理工大學(xué) 理學(xué)院，上海 200093 )

[摘要]射流沖擊熱表面能夠?qū)Πl(fā)熱源的換熱起到強(qiáng)化作用，在熱表面添加泡沫金屬可以對(duì)換熱起到再次強(qiáng)化的效果，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析泡沫金屬在射流沖擊強(qiáng)化換熱中的顯著作用。

[關(guān)鍵詞]射流沖擊；泡沫金屬；數(shù)值分析；實(shí)驗(yàn)研究

1引言

當(dāng)需要在換熱表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷卻效果時(shí)，可采用射流沖擊。目前，射流沖擊已廣泛應(yīng)用于平板玻璃回火、金屬薄板淬火、退火，紡織品或紙張干燥，燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻及電子產(chǎn)品冷卻等技術(shù)。在這種換熱方式中，氣體或液體在壓差作用下通過(guò)一個(gè)圓形或窄縫形噴嘴垂直地噴射到被冷卻的表面上，從而使直接受到?jīng)_擊的區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的換熱效果。

泡沫金屬?gòu)?0世紀(jì)80年代后期開(kāi)始迅速發(fā)展的新型金屬材料，它具有比重小、剛度大、比表面積大的優(yōu)點(diǎn)，近年不斷有學(xué)者關(guān)注泡沫金屬在強(qiáng)化換熱方面的應(yīng)用，由于其具有比表面積大的特點(diǎn)，高速?lài)娚涞目諝饪蓪?nèi)部的熱量帶走，快速冷卻熱表面，因而，泡沫金屬逐漸被應(yīng)用到射流沖擊強(qiáng)化換熱中。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析泡沫金屬在射流沖擊強(qiáng)化換熱中的顯著作用。

2理論模型

2.1物理模型

在模型中泡沫金屬的長(zhǎng)、寬、高規(guī)定為12cm、12cm、2cm，流道的總高度為6cm(可調(diào))，噴嘴的寬度為0.7cm，流道的總長(zhǎng)度為50cm，泡沫金屬的材料為純銅，孔隙率分別為0.9和0.7，PPI(每英寸上所含孔隙數(shù))為20和15，噴嘴速度為14.61m/s，泡沫金屬下接觸加熱塊，熱流密度為5kW，泡沫金屬正下方0.2cm處為測(cè)溫點(diǎn)，噴射介質(zhì)為空氣，實(shí)驗(yàn)時(shí)空氣溫度為26.5℃(299.65K)。

圖1　射流沖擊物理模型

圖2　孔隙率為0.9、0.7的純銅泡沫金屬和微結(jié)構(gòu)圖

2.2數(shù)學(xué)模型

空氣從空氣壓縮機(jī)噴出后速度并不是很大，空氣的密度幾乎不發(fā)生變化，因而空氣可以看作為不可壓縮流體，又因換熱過(guò)程中不會(huì)發(fā)生相變，故射流沖擊強(qiáng)化換熱滿(mǎn)足以下方程。

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量守恒方程

ρ cP·(uiTi)=Keff·2Ti+ST

(3)

接觸面換熱方程

(4)

3結(jié)果與分析

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行加熱塊測(cè)點(diǎn)溫度趨向于穩(wěn)定，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。從冷卻效果來(lái)看，加熱塊表面無(wú)泡沫金屬的終溫最高，孔隙率?=0.7的終溫低于無(wú)泡沫金屬的終溫，而高于孔隙率?=0.9的終溫。這表明孔隙率越大換熱量越大，冷卻效果越明顯，更利于射流沖擊強(qiáng)化換熱。從變化趨勢(shì)來(lái)看，孔隙率?=0.9的測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間最短，而無(wú)泡沫金屬的測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間最長(zhǎng)，這說(shuō)明，孔隙率越大冷卻越迅速。

圖4　噴嘴距離換熱面2cm、3cm、4cm時(shí)測(cè)點(diǎn)溫度變化

調(diào)節(jié)噴嘴的高度，使其距離換熱面的高度分別為2cm、3cm、4cm，測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖4所示。在h=2cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的終溫最低，而h=4cm的終溫最高。這就說(shuō)明在泡沫金屬物性不變的條件下，噴嘴越高對(duì)射流沖擊強(qiáng)化換熱的效果越差，所以在滿(mǎn)足某些實(shí)際需求的前提下，噴嘴距泡沫金屬上表面越近換熱效果越好。

3.2模擬結(jié)果分析

從空氣壓縮機(jī)噴出的空氣具有很高的速度，沖擊到熱表面，會(huì)對(duì)熱表面的熱量交換起到強(qiáng)化作用。從圖5，圖6可以定性分析空氣在沖擊到持續(xù)加熱的熱表面在流道形成的流線。在無(wú)泡沫金屬條件下，在靠近噴嘴處會(huì)形成很大的氣旋，并且氣旋的半徑延伸至接近空氣出口處，在有泡沫金屬的情況下，氣旋也在接近噴嘴處形成，但半徑很小，流道內(nèi)流線分布均勻。由于氣流沖擊到泡沫金屬內(nèi)，受內(nèi)部阻力和粘性阻力的影響，速度急劇下降，壓強(qiáng)急劇升高，造成的壓差只在噴嘴附近小范圍內(nèi)出現(xiàn)，形成的氣旋半徑就小。而無(wú)泡沫金屬的情況下，壓差存在的范圍大，形成的氣旋半徑就大。

圖5　無(wú)泡沫金屬流道內(nèi)流線分布

圖6　有泡沫金屬流道內(nèi)流線分布

圖7　有、無(wú)泡沫金屬熱表面換熱系數(shù)

圖8　Cu和Al泡沫金屬熱表面換熱系數(shù)

圖9　泡沫金屬內(nèi)溫度分布圖

圖7反映了持續(xù)加熱的熱表面，分別在有無(wú)泡沫金屬的條件下，計(jì)算出的熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。在相同條件下有泡沫金屬的熱表面的換熱系數(shù)是無(wú)泡沫金屬熱表面換熱系數(shù)的4～5倍，并且在滯止點(diǎn)(x=0)處的傳熱系數(shù)最大。這表明，泡沫金屬對(duì)強(qiáng)化換熱具有顯著的作用。由于泡沫金屬具有導(dǎo)熱性能好的優(yōu)勢(shì)，可以將熱表面的熱量以導(dǎo)熱的形式傳遞到泡沫金屬內(nèi)，而泡沫金屬比表面積大，空氣與泡沫金屬的換熱面積也就大，更多的熱量就可以被空氣帶走，故會(huì)出現(xiàn)熱表面上的換熱系數(shù)在有泡沫金屬情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)泡沫金屬情況下。從圖8可以看出，在相同設(shè)置條件下，Al泡沫金屬在滯止點(diǎn)處的換熱系數(shù)比Cu泡沫金屬在滯止點(diǎn)處的換熱系數(shù)略高，但沿流線方向Cu泡沫金屬熱表面的換熱系數(shù)逐漸高于Al泡沫金屬的換熱系數(shù)。

圖9顯示了泡沫金屬內(nèi)部在持續(xù)加熱下等溫線分布。在泡沫金屬上表面中心處溫度最低，沿流線流動(dòng)方向溫度逐漸增大，每?jī)蓷l等溫線相差0.5K，加熱塊與泡沫金屬接觸面的等溫線相對(duì)于泡沫金屬上表面密集。這表明，在相同距離上下表面比泡沫金屬內(nèi)其他表面的溫差大，換熱強(qiáng)度大，對(duì)熱表面的冷卻效果好。在接觸面上，滯止點(diǎn)處的溫度最低，對(duì)需要冷卻的電子產(chǎn)品，此處為最佳點(diǎn)。

采用厚度分別為2cm、4cm、6cm的泡沫金屬，在熱源功率一致的條件下，分析泡沫金屬厚度對(duì)熱表面換熱系數(shù)的影響，從圖10可以看出，在h=2cm時(shí)，熱表面的換熱系數(shù)最大，并且在滯止點(diǎn)處出現(xiàn)峰值，沿流線方向換熱系數(shù)變化幅度大，而h=6cm時(shí)，熱表面的換熱系數(shù)最小，并且在流線方向的變化幅度也小，在h=4cm時(shí)，熱表面的換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)與h=2cm的相同，在泡沫金屬邊緣處與h=6cm的換熱系數(shù)曲線相交。這說(shuō)明，泡沫金屬厚度相對(duì)越小越有利于強(qiáng)化換熱，但并不是越小換熱系數(shù)越大。

圖10　泡沫金屬的厚度分別為2cm、4cm、6cm時(shí)熱表面的換熱系數(shù)

4結(jié)論

泡沫金屬對(duì)射流沖擊強(qiáng)化換熱具有顯著增強(qiáng)的作用，泡沫金屬的孔隙率越大，噴嘴的高度越小，泡沫金屬的厚度相對(duì)越小，越利于強(qiáng)化換熱。熱表面在無(wú)泡沫金屬時(shí)形成的氣旋遠(yuǎn)大于有泡沫金屬時(shí)，傳熱系數(shù)在有泡沫金屬的情況下是無(wú)泡沫金屬情況下的4～5倍，泡沫金屬在與熱表面的接觸面上的換熱系數(shù)最大，在相同距離上溫差最大，換熱效果最佳，在滯止點(diǎn)處Al泡沫金屬的換熱性能較Cu泡沫金屬的好。

5參考文獻(xiàn)

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The Impact of Forced Convection Heat in Foam Metal Subject to Impinging Jet

LI Linxing1，CHEN Wei1，SONG Zhongyuan1，ZHU Qian2

(1.Merchant Marine,College Shanghai Maritime University,Shanghai,201306；2.College of Science,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093 )

Abstract：The heat surface can be fast cool when subjecting to impinging jet.The heat will be faster transfer from the heat surface in foam metal subject to impinging jet.This work shows the foam metal plays an important role in the convective heat transfer with a confined slot air jet by the way the method of experimental research and numerical simulation.

Key words:Impinging jet；Foam metal；Numerical simulation；Experimental research

收稿日期：2015-6-20

作者簡(jiǎn)介：李林星(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：泡沫金屬在射流沖擊強(qiáng)化換熱中的應(yīng)用。Email：lilinxing26@126.com

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2016)01-022-04

中圖分類(lèi)號(hào)：TB657.5；TK172

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.01.005

資助項(xiàng)目：上海市教委創(chuàng)新科研課題(14ZZ142)；交通部應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目(2013319810150)