大孔隙率多孔介质中金属骨架导热与固液相变间复杂传热问题的研究

大孔隙率金属骨架多孔介质在固液相变蓄能、冻土灾害防治、土木工程中冰埋管软基固结以及高热流密度下电子器件多孔介质热控系统等方面，有着广泛的应用意义。针对目前国内外这方面研究所存在的问题，本项目拟采用多孔介质理论和分形理论，对大孔隙率金属骨架多孔介质中固液相变建立理论模型，对金属骨架在冻结区和两相区建立含有导热的两导热方程模型，在液相区建立含对流换热的两能量方程模型,同时，在动量模型中考虑非达西流的修正，并建立使方程封闭的导热辅助模型和对流辅助模型；对杂乱无规则的金属骨架建立分形法导热热阻模型和流动阻力模型，将多孔介质理论的代表性单元体和数值计算的控制单元相结合，用分形法确立多孔介质几何形态与数值计算网格之间的几何关联，提出理论模型与数值计算相统一的计算方法和处理方法，编制计算软件，并进行数值计算和分析；对多孔介质的固-液相变过程，进行实验研究，并结合实验研究的结果，完善理论模型和计算程序。

高导热率骨架的大孔隙率多孔介质（孔隙率大于0.9），如金属泡沫和金属丝网等，由于其骨架高导热特性以及较大的表面积结构特性，对骨架与流体或介质固相间的表面传热有着强化的作用，故而在高效换热器、电子器件的冷却以及相变蓄能系统等方面有着广泛的应用。长久以来，国内外许多学者对多孔介质的传热及流动进行了研究，尤其是对多孔介质两能量方程研究。但是，由于多孔介质骨架杂乱无序的结构特性，使得很难对两能量方程进行数值计算，比如在数值计算的网格划分时，无法确定骨架或孔隙中流体介质与网格的空间几何关系，即无法确定网格节点是定位在骨架上还是在流体介质中，以至于无法获得多孔介质内流体相流场和温度场的变化规律以及固体相温度场的变化。同时，这也制约了两能量方程模型数值计算研究与应用的发展。本项目正是基于这些问题而提出的。.按照项目计划任务书的研究要点和内容，本项目基本完成了相关的研究工作。研究成果包括，已发表论文4篇，申请发明专利1项，待发表的论文2到3篇。本项目培养了8名研究生。. 在理论研究中，本项目研究成果的创新点包括，建立了一个与真实多孔介质流动和传热一致或相近的两能量方程的数值计算模型，即立方体细丝模型，提出了模型与真实多孔介质流动和传热一致或相近的一致性原则；采用分形理论得到了构建立方体细丝模型的几何参数及相关输运参数；首次提出了将流体介质和固体骨架分别建立控制容积的方法，避免了有效导热系数的出现，并提出了相关的数值计算方法；提出了骨架导热热阻和等价导热系数的概念。在后续的工作中，还将对模型进行改进，提出了十四面体细丝模型，使模型在形态上更接近真实多孔介质。可以说这些成果破解了多孔介质两能量方程数值计算长久以来所遭遇的难题，为多孔介质两能量方程数值计算开创了新的思路和平台。. 在实验研究中，分别对金属细丝在竖直和水平管外蓄融冰进行了传热实验研究，得到了相应的传热准则方程；对金属泡沫在水中的自然对流换热进行了实验研究，得到了与金属泡沫几何结构相关的准则方程，同时，也证实了大孔隙率多孔介质中存在的热不平衡现象，以及对应的温差变化规律。对于骨架导热热阻，首次提出了相关的测试理论和方法，并拟进行相关的实验研究，以期得到导热热阻以及相关细丝模型的等价导热系数。