微重力条件下泡沫金属内池沸腾相变传热过程的研究

Due to the specific characteristic of metal foam, such as, high porosity, high conductivity, and capillary force in micro pores, it has potential application in thermal system on spacecraft. The characteristic of metal foam micro-structure will be studied based on 3-dimensional model by X-ray tomography. The theoretical model of pool boiling phase change heat transfer in metal foam will be established. Lattice-Boltzmann method will be applied to study pool boiling phase change heat transfer process and vapor liquid two phase dynamic behavior in metal foam based on pore scale. The experiments will be conducted in order to test pool boiling heat transfer performance on ground constant gravity and short time microgravity in drop tower. Visualization experiments will be conducted to study the bubble generation, growth, merging and detachment in pore scale during pool boiling by high speed camera. Research will be focused on the effect of metal foam micro structure (porosity, connectivity, pore size distribution, et al.) on pool boiling heat and mass transfer with different gravity, in order to reveal bubble behavior and phase change mechanism in pool boiling in metal foam under microgravity. The research of this project is of great significance to the development and optimization of thermal system in spacecraft. It also has important scientific significance for improving the basic theory of two-phase boiling heat transfer.

泡沫金属具有高孔隙率、高导热率、微孔毛细作用力等特点，在航天热控领域具有广阔的应用前景。本项目基于X-射线断层成像技术建立泡沫金属三维模型，研究泡沫金属的微观结构特性；构建泡沫金属内池沸腾相变传热过程的理论模型，采用格子-Boltzmann方法（LBM）研究基于孔隙尺度的泡沫金属内池沸腾相变传热机理及汽液两相动力学行为；开展地面常重力池沸腾实验和落塔短时微重力池沸腾实验，测试池沸腾传热性能，采用高速摄像仪观测微孔尺度下的池沸腾过程中气泡生成、生长、合并和脱离现象；重点研究不同重力情况下泡沫金属微观结构（孔隙率、连通性、曲迂度、孔径分布等）对于池沸腾相变过程中传热传质耦合过程的影响机理。项目的研究结果将揭示微重力条件下泡沫金属内池沸腾相变过程中的气泡动力学行为和相变传热规律，为泡沫金属在航空航天等多种热控场合的应用提供理论支撑和技术方法，在航空航天、能源等领域具有重要的研究意义。

随着电子元器件的集成度越来越高，急剧增高的发热功率密度对整个电子系统的工作稳定性产生着较大的威胁。沸腾换热作为一种良好的相变散热方式被广泛应用于能源动力、航空航天等领域的设备散热解决方案。泡沫金属由于其高孔隙率和复杂的三维立方网状结构特点，在强化池沸腾换热方向具有较大的潜力。. 本项目采用化学氧化法制备极端润湿性泡沫金属。疏水性/亲水性泡沫金属表面的润湿角可以分别达到148.7°和0°。同时，改性泡沫金属表面覆盖纳米层。研究表明其表面上的花瓣状纳米片结构能够增加泡沫金属表面的成核点，同时对于超亲水表面还增加了其毛细吸液能力。. 搭建了池沸腾实验平台，研究常重力与微重力条件下泡沫金属池沸腾换热的传热传质机理与气泡动力学行为。研究表明：相比于光滑铜表面，由于泡沫金属的骨架结构作用，降低了微重力条件下的气泡脱离直径，提升了气泡脱离频率；在中高热流密度时，微重力下的传热性能比常重力明显降低，而超亲水泡沫金属展现出了较强的沸腾换热性能。. 采用格子玻尔兹曼方法，建立多孔介质内池沸腾传热传质的理论模型并进行数值模拟，研究微重力对泡沫金属内池沸腾相变传热过程中气泡动力学行为及相变界面非稳定性动态演化过程的影响。模拟结果表明：重力场强度越大越有利于气泡的上升，亲水的多孔介质对气泡浮升的阻力更小；在孔隙率不变的情况下，随着多孔介质平均孔径的增大，气泡受到的阻力减小，速度增大。模拟结果与实验中的可视化结果以及传热特性保持了很好的一致性。. 本项目研究从本质上揭示了不同重力条件下泡沫金属池沸腾传热的气泡动力学行为和相变传热特性，对于进一步完善基于孔隙尺度的泡沫金属沸腾传热基础理论具有重要的科学意义，将为泡沫金属池沸腾散热方案的研制与设计优化提供理论依据，并为空间微重力下的两相流传热设备的研发提供关键技术支撑。