含强化肋的PCM相变储热与传热特性数值研究

为了有效提升PCM相变储热器的性能,本文采用多种金属翅片对相变过程进行强化,并采用焓-多孔介质模型对相变储热过程进行了数值模拟,分析了不同金属材料和不同基体孔隙率对相变储热及传热特性的影响.研究结果表明,采用金属泡沫强化翅片能够增强导热和对流效应,优化流场对流涡分布,储热器相变储热时间大大缩短,耗时仅为无翅片工况的16.8%;采用铜金属泡沫翅片的储能效率略优于铝金属泡沫翅片,储热时间缩短3.47%;强化翅片孔隙率对储热性能影响较弱,孔隙率为0.4时最优,孔隙率为0.6时次之,孔隙率为0.8时最差.

基于LBM的泡沫金属与翅片相变储能系统性能对比分析

为了研究翅片和泡沫金属铜对相变储能系统性能的影响,使用四参数随机生长法(QSGS)构建了孔隙密度(PPI)分别为20PPI、30PPI的泡沫铜复合相变材料模型,并构建了等铜质量的翅片相变材料模型。在此基础上,采用格子玻尔兹曼(LBM)数值模拟方法对相变材料(PCM)的储/放热过程进行了数值模拟,基于努塞尔数、液相率、PCM流动速度、PCM熔化/凝固时间对比分析了添加翅片以及添加泡沫金属结构对相变材料换热性能的影响。结果表明,在储热过程中,由于泡沫金属的存在会抑制熔化过程中对流换热的发展,双翅片结构的努塞尔数高于泡沫金属结构,熔化时间更短,相比于20PPI、30PPI泡沫铜复合相变材料分别缩短了28.55%、17.5%;在放热过程中,泡沫金属的存在会增加热传导面积,泡沫金属结构的凝固速度高于翅片结构,30PPI泡沫金属结构的凝固时间相比于翅片、20PPI泡沫铜复合相变材料分别缩短了65.80%、20.24%。综合考虑储放热两个过程,30PPI泡沫金属结构的总储放热时间最短,相比于翅片、20PPI泡沫铜复合相变材料分别缩短了27.81%、15.32%。在耗费相同金属材料的条件下,采用泡沫结构是更为有效的提升储能效率的手段。

质子交换膜燃料电池泡沫金属流场传质性能

建立泡沫金属流场的三维完整形态,通过三维数值模拟进行研究,结果表明,泡沫金属流场可以有效地降低浓度极化损失,从而提高燃料电池在大电流密度下的性能,且与增加的输出功率密度相比,相应的泵送功率损失可以忽略不计。同时,在泡沫金属流场作用下,质子交换膜燃料电池内部的氧气浓度分布比传统的直流道的燃料电池更加均匀。通过台架试验,观测了泡沫流场中的液态水的流动状态,并通过三维数值模拟,得到了与试验相似的流动现象,且与传统直流道流场对比,泡沫金属流场对燃料电池水淹现象的改善有很大的帮助。

开孔泡沫金属传热和流动特性

近年来开孔泡沫金属运用于散热设备逐渐成为研究的热点。由于开孔泡沫金属结构复杂无序,数值模拟时大都将其结构进行化简,目前已有种类繁多的简化模型,然而适用于其传热与流动特性模拟研究的简化模型尚不明确;另外,适用于散热领域的泡沫金属结构参数有待详细研究。为此,建立开孔泡沫金属的5种简化三维模型,并进行传热和流动特性的对比研究,认为Gibson-Ashby模型更能准确描述实际开孔泡沫金属的传热和流动性能。在此基础上,采用Gibson-Ashby模型对开孔泡沫金属的关键结构参数进行传热和流动综合性能分析,发现孔隙率90%、孔密度30PPI开孔泡沫金属翅片的综合性能j/f^(1/3)(j为换热因子,f为阻力因子)最优;将孔隙率90%、孔密度30PPI开孔泡沫金属翅片与平直翅片进行对比,发现开孔泡沫金属翅片换热效果是平直翅片的2倍以上,综合性能也优于平直翅片。所得研究成果可为开孔泡沫金属在换热领域的应用和设计提供参考。

具有泡沫金属流场的燃料电池研究进展

泡沫金属是一种具有高孔隙率、高电导率、良好传热性和重量较轻等优点的新型多功能材料,在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中嵌入泡沫金属作为流场的应用受到越来越多的关注。重点综述PEMFC流场的研究进展,探讨泡沫金属结构参数、流场设计和环境因素等对功率密度、气体分布、压降和水热管理等性能的影响。进一步讨论泡沫金属流场在PEMFC应用中所面临的腐蚀和水淹问题,以及具备耐腐蚀涂层泡沫金属的研究进展,为PEMFC泡沫金属流场的发展和优化提供有益的启示,以期推进泡沫金属在PEMFC中的应用。

通孔型泡沫金属用于换热器的研究综述与展望

考虑到通孔型泡沫金属具有流通性强、导热性好、可塑性强,以及良好的吸音性、支撑性、轻量性等特性,将泡沫材料填充于换热单元和热源之间空隙的做法,被广泛地应用于换热设备。为了充分研究和深入开发利用通孔型泡沫金属在换热器中的潜在价值,对国内、外应用泡沫金属在换热器中的理论研究、数值研究及实验研究进行概述;鉴于固体导热性、流体传热性以及流体流动性是换热器中必须考虑且兼顾的3个特性,系统地梳理了胞体模型参数、介质流速、介质压降、对流换热系数等关键参数的协同关系;分析了泡沫金属胞体建模以及填充于换热器中的布置形式;用综合性能指标评价了泡沫金属传热与压降的关系式;提出了未来进一步研究的方向和建议。

空穴效应下泡沫金属复合相变材料热性能数值模拟

在三维泡沫金属复合相变材料(PCM)基础上,构建了随机分布空穴模型,采用多松弛时间格子Boltzmann方法,从孔隙尺度分析了不同空穴体积分数、分布位置及泡沫金属与PCM导热系数比下的空穴效应.结果表明,随着空穴体积分数的增加,减缓了复合PCM的传热速度,并降低了潜热储能的能力.在Fourier数Fo=0.7时刻下,当空穴体积分数分别为2.4%,7.6%和11.7%时,相较于无空穴情况下的储热量分别减少了3.2%,9.0%和13.0%.当体积分数为3%的空穴集中在热壁面侧时,其对复合PCM熔化过程的阻碍作用最显著,此时空穴层相当于绝热层,使复合PCM的整体熔化时间延长了6.1%.为削弱空穴效应,可选择导热系数比超过100的泡沫金属骨架来提高其在传热中的主导作用.

开孔金属泡沫流场分布和流动阻力的数值分析

【目的】为了系统研究开孔金属泡沫中空气流场的流动特性和传热传质特性。【方法】使用几何表示法构建12面体开孔泡沫模型,应用有限单元法模拟了不同入口速度下,泡沫韧带截面形状、孔径密度PPI和流场高度方向泡沫结构对称性等参数对流场分布、传质和流动阻力的影响。【结果】结果表明,随着泡沫韧带截面顶点曲率减小,韧带阻滞作用减弱,流场沿程损失h_(f)减少;增大孔径密度可以提高流场对流强度分布均匀性;在高度方向非对称边界流场对流强度更大,且韧带周围对流强度分布趋向均匀,对称结构则相反;对称边界流场的上下边界处对流速度比非对称边界略大,对称边界更有利于边界物质输运;泡沫结构特征和气体入口速度对流场分布和流动阻力的影响明显。流动问题的量纲分析结果表明,泡沫孔数量越多,流场的沿程损失与气体初始动能的比值越大,增大气体入口速度则比值减少,当入口速度超过6 m/s后,比值趋于稳定。

聚氨酯冷链材料的降解研究

利用丙二醇(PG)和二乙二醇(EG)作为双组分二醇的醇解剂,碱金属氢氧化钠作为金属催化剂,对废旧冷链泡沫进行化学方法降解处理,再将降解得到的低聚物多元醇重新制备新型管壳材料。并对降解产物进行羟值测试及黏度测试,然后对制备的新型管壳泡沫进行密度、吸水率、压缩强度、红外光谱、泡沫结构等一系列测试并分析。结果表明:在m(PG)∶m(EG)=40∶60,金属催化剂氢氧化钠加入质量为1.2g时,废旧冷链泡沫达到最好的降解效果,此时新型管壳泡沫的密度低、抗压强度更高、导热系数更小、保温性能更好,达到国家标准的要求。

泡沫金属孔密度对石蜡相变传热强化的影响机理

为了探究泡沫金属孔密度对相变材料熔化过程中流动传热特性的影响,通过试验设计并搭建了1套半圆柱形的可视化蓄热装置,分析了孔密度对复合相变材料熔化过程中温度分布、固液相界面、换热系数等热特性的影响机理。结果表明:泡沫金属铜能够提高内部石蜡的温度响应速率,缩短熔化时间,并减小相变材料内部温度梯度;纯石蜡和孔密度为0.20,0.59,0.98 mm^(-1)的铜复合相变材料在石蜡熔化后的温度梯度分别为35.26,12.19,20.49,28.39 K;自然对流换热占比也随着泡沫金属铜孔密度的增加而减小;当加热功率为30 W时,孔密度为0.20,0.59,0.98 mm^(-1)的铜复合相变材料自然对流占比分别为20.72%,19.33%,18.24%,且自然对流占比均小于50%,表明在填充率为1.28%的条件下,泡沫金属铜复合相变材料的传热机制以热传导为主。研究结果可为相变蓄热系统的设计提供参考。

抛物槽式真空管太阳能集热器强化相变蓄热的模拟研究

为了提高抛物槽式真空管太阳能集热器相变材料导热性能,设计了一种相变材料埋置金属泡沫与半圆管型强化换热结构相结合的真空管太阳能集热器,利用FLUENT软件对其蓄热过程中的传热进行了数值模拟,分析了热流密度分布非均匀的情况下在相变材料中集成翅片和金属泡沫对相变材料液态分数的影响.

带裂纹石墨烯增强金属泡沫梁的振动特性研究

分析了带裂纹功能梯度石墨烯增强金属泡沫梁的自由振动.采用Timoshenko梁理论进行建模,裂纹由无质量扭转弹簧模拟,利用Halpin-Tsai微观力学模型预测材料的有效性能.通过哈密顿原理,得到了带裂纹功能梯度石墨烯增强金属泡沫(FG-GPLRMF)梁的运动方程及其边界条件.采用微分变换法分析带裂纹FG-GPLRMF梁的自由振动.结果表明,带裂纹FG-GPLRMF梁的振动特性受到石墨烯几何尺寸、孔隙类型和石墨烯分布的影响显著.

3D打印和电沉积多层超轻夹层板的力学性能和能量吸收性能

研究由开孔聚合物和金属/聚合物泡沫芯制成的轻质夹层板的力学性能和能量吸收性能。通过结合聚合物树脂的增材制造和三层金属(Ni/Ni-Cu/Ni)的电沉积制备多层夹层板,每英寸孔数(PPI)为4、5和6。测试样品在单轴压缩变形过程中的屈服强度,计算其能量吸收密度、互补能和比吸收能(SEA)。结果表明,与相同厚度的纯Ni和Cu夹层板相比,复合夹层板的性能有明显改善。增加PPI和金属层可提高力学性能和能量吸收性能,当PPI为6时,屈服强度(能量吸收密度)由聚合物夹层板的0.12 MPa(0.12MJ/m^(3))提高到三层金属夹层板的1.83MPa(0.67 MJ/m^(3))。对夹层板结构归一化能量的研究表明,夹层板具有可预测的塑性变形行为,多金属层改善了新型夹层板的力学性能。其能量吸收性能的显著增强可保证材料在不同行业的独特应用。

公路护栏中金属空心球泡沫铝防撞性能的研究

以泡沫铝应用于公路护栏,降低碰撞过程中的损害为背景,采用金属铝作为基体材料建立金属空心球泡沫的计算模型,通过数值模拟计算方法分析了金属空心球泡沫的动力学响应特性。重点讨论了冲击载荷作用下,不同密度金属空心球在空间的不同分布形式对金属空心球泡沫铝载荷一致性的影响。研究结果表明,将不同密度金属空心球在空间合理分布,即高密度质量和低密度质量交替排列分布的方式不会影响金属空心球泡沫的基本力学性能,同时能够有效提高金属空心球泡沫的载荷一致性。

恒定高应变率拉伸条件下泡沫金属力学性能

为了探究泡沫金属恒定应变率动态拉伸力学行为,基于3D Voronoi模型,采用双向拉伸加载方式和1.55倍等效胞孔直径高度的试件,实现了5000 s^(-1)恒定高应变率动态拉伸条件下泡沫金属力学性能测试数值模拟实验,模拟结果显示:动态拉伸过程满足应力均匀性和变形均匀性要求,且试件破坏位置合理;在恒定应变率(0.5~5000 s^(-1))动态拉伸时,泡沫金属的破坏应变基本不受应变率的影响;当应变率不超过500 s^(-1)时,破坏应力受应变率影响很小,当应变率在500~5000 s^(-1)时,破坏应力随着加载速率的增大而线性增大。

不同侧限及荷载比例工况下泡沫金属冲击性能研究

泡沫金属在实际工程中往往承受复杂多轴加载工况,且受到突发性爆破等极端动荷载的影响,处于多轴动态复杂应力状态。目前,受实验条件限制,泡沫金属难以实现任意比例的真三轴动态实验。本文采用数值模拟方法,采用霍普金森杆和解析刚体,分别施加冲击荷载和侧限荷载,实现了泡沫金属真三轴动态实验,且实验过程中满足应力均匀性条件,同时,探究了不同侧限条件和侧向预压力比例对泡沫金属多轴冲击性能的影响。结果表明:沿着冲击方向施加2 MPa的预压力对应力幅值为200 MPa的梯形应力波双向冲击的泡沫金属冲击性能无明显影响;侧限约束的增强能提高泡沫金属抗冲击承载能力;当冲击变形模式主导胞孔结构变形时,泡沫金属三向预压力比例对其抗冲击能力无明显影响。

泡沫金属经典本构模型表征三轴拉伸和拉压组合条件下宏观力学性能的研究

泡沫金属在实际工程应用中往往承受多轴拉伸、拉压组合和压缩等复杂应力状态,且拉伸和压缩性能差异显著,而现有的本构关系理论模型基于多轴压缩实验构建,能否描述多轴拉伸和拉压组合条件下泡沫金属宏观弹塑性力学性能存疑。本文采用数值模拟的方法开展多轴加载数值仿真实验,基于数值模拟结果检验泡沫金属两个经典模型:D-F模型与汤立群等提出的理论模型(以下简称Tang模型),在三轴拉伸和拉压组合工况下的合理性。结果表明,D-F模型的椭圆度参数显著影响模型的预测精度,基于三轴拉伸、压缩和拉压组合屈服面拟合计算的椭圆度预测效果最优,结合单轴拉伸应力应变曲线,D-F模型能较好地表征泡沫金属三轴拉压组合条件下力学性能,但存在无法描述塑性耗散功大于单轴拉伸破坏时对应的塑性耗散功的力学行为的缺陷;该模型不能准确描述三轴拉伸力学性能。Tang模型分别描述三轴拉伸和拉压组合破坏前的力学行为,等效应力和应变曲线均具有良好的一致性,但确定等效应力和应变的四个参数均不同且不同于三轴压缩对应的参数;综合考虑三轴拉压组合和三轴压缩工况时,等效应力和应变曲线的一致性很差。

极端温度下月球高速着陆机构与泡沫金属断裂的碰撞分析

计算了以预制凹槽、弹头、泡沫钛、泡沫铝以及探测器组成的构件以130 m/s的速度,在1/6地球引力下,冲向月球表面岩石所发生的应力应变。构件中的泡沫金属能够承受探测器的力,并提供反冲力。预制凹槽和弹头的应力为1200~2000 MPa,而泡沫钛和泡沫铝的应力分别为10 MPa和1 MPa,降低量显著,泡沫钛降低至1%,泡沫铝降低至1‰。该构件还在低温(-182.85℃)以及高温(127.15℃)下进行了一系列不同的角度碰撞实验,探测器仍可以正常工作。

泡沫金属在PEMFC流场中的应用

优化流场结构,可提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的反应物气体传质和输出性能。泡沫金属是具有高孔隙率和高导电性的多孔材料。建立以泡沫金属为阴极流场的三维单相等温PEMFC模型,并与平行流场、波浪形流场和蛇形阴极流场模型对比,分析化学计量比对PEMFC氧气摩尔分数及电流密度的影响。泡沫金属作为阴极流场,可提高气体扩散层和催化层的反应物气体浓度,从而提高电化学反应效率;工作电压为0.30 V时,燃料电池的电流密度比蛇形流场的提高了38.84%;提高化学计量比,可提高反应气体的摩尔分数及输出性能,当阳极化学计量比从1.5提高到3.0时,气体扩散层(GDL)中的平均氢气摩尔分数提高41.02%,电流密度提高51.80%。

3种基体材料开孔泡沫金属动力学特征研究

为研究不同基体材料开孔泡沫金属的动力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)及高速摄像系统开展试验,获得3种开孔泡沫金属试样的应力-应变曲线、应变特性、变形特征。研究结果表明:不同基体材料开孔泡沫金属的动力学特性差异显著,其应力-应变曲线的差异主要体现在弹性上升阶段,泡沫铜和泡沫镍具有明显的跃进现象,泡沫铝的曲线上升较平稳缓慢,且泡沫镍在跃进后出现峰后跌落现象;泡沫金属峰值应力的应变率效应显著,其动力学性能与材料本身缺陷情况、惯性效应、冲击热效应存在密切关联;当试样处于整体变形阶段,试样入射端或胞孔薄弱处存在加速变形区域,易形成应力集中现象,导致试样层面坍塌。研究结果可为泡沫金属防护材料的选取及工程设计提供理论参考。