周期性多孔金屬材料的熱流性能

前言

　　多孔材料具有良好的力、電、熱、聲等性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通信、交通運(yùn)輸、原子能、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、冶金、機(jī)械、建筑、電化學(xué)和石油化工等領(lǐng)域，涉及減重、抗沖擊、減振降噪、隔熱保溫、散熱控制、分離、過(guò)濾、布?xì)?、電磁屏蔽、電化學(xué)、催化反應(yīng)和生物工程等諸多方面的用途?！　〗陙?lái)，隨著先進(jìn)制造手段的出現(xiàn)以及對(duì)多孔材料各種性能認(rèn)知理解的提高，人們對(duì)多孔材料的多功能性能及應(yīng)用的興趣與日俱增。多孔材料的多功能性能研究是一項(xiàng)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，需要同時(shí)采用多種工程手段，其目的是建立起多孔材料整體性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及組成材料性質(zhì)之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔材料在不同多功能應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行量體裁衣和優(yōu)化設(shè)計(jì)。　　多孔材料的性能取決于兩組獨(dú)立的參量：一組是描述其幾何結(jié)構(gòu)的參量，另一組則是描述其組成材料性質(zhì)的參量。換言之，對(duì)不同結(jié)構(gòu)或不同材料的多孔材料而言，支配其結(jié)構(gòu)一性質(zhì)關(guān)系的基本機(jī)理可能是大相徑庭的，而研究方法和內(nèi)容也不盡相同。本書(shū)主要討論具有有序結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)多孔金屬材料。除了能承受結(jié)構(gòu)載荷之外，有序結(jié)構(gòu)多孔金屬材料還具有以下共同特點(diǎn)：①具有很大的比表面積；②金屬材料具有良好的導(dǎo)熱性能；③多孔材料的空隙可供氣體或液體通過(guò)。這些特點(diǎn)使有序多孔金屬材料成為制造超輕多功能換熱器或熱匯的最佳候選材料之一。本書(shū)重點(diǎn)介紹了有序多孔金屬材料中的強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)與換熱，并針對(duì)三種典型的有序多孔金屬材料中的流體流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行了詳細(xì)闡述；提出了一種評(píng)估各種熱匯介質(zhì)總體熱特性的方法，并采用這種方法對(duì)各種多孔金屬材料進(jìn)行了比較；提供了一種可用于有序多孔金屬材料強(qiáng)制對(duì)流換熱優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論分析方法。　　本書(shū)中兩種三維有序多孔金屬材料（三角錐桁架結(jié)構(gòu)和編織結(jié)構(gòu)）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別由英國(guó)劍橋大學(xué)Tongbeum Kim博士和田靖博士提供，作者在此向他們表示誠(chéng)摯的謝意?！　∮捎谧髡咚接邢?，書(shū)中難免存在不足之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書(shū)旨在揭示多功能超輕周期性多孔金屬材料和結(jié)構(gòu)在強(qiáng)制對(duì)流條件下傳熱傳質(zhì)機(jī)理，為研制以多功能超輕多孔材料為基本材料、具有優(yōu)良傳熱性能和力學(xué)性能的高效緊湊式換熱器、微熱管等提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。    本書(shū)重點(diǎn)闡述了有序多孔金屬材料中的強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)與換熱，詳細(xì)講述了三種典型的有序多孔金屬材料中的流體流動(dòng)和傳熱性能，提出了一種評(píng)估各種熱匯介質(zhì)總體熱特性的方法，并采用這種方法對(duì)各種多孔金屬材料進(jìn)行了比較。同時(shí)，本書(shū)還提供了一種可用于有序多孔金屬材料強(qiáng)制對(duì)流換熱優(yōu)化設(shè)汁的理論分析方法。    本書(shū)既可作為高年級(jí)大學(xué)生和研究生的教材，也可作為相關(guān)研究人員和工程師的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

前言 第1章  緒論   1.1  引言   1.2  多孔材料   1.3  有序多孔材料     1.3.1  二維有序多孔材料     1.3.2  三維有序多孔材料   1.4  多孔材料的應(yīng)用   1.5  本書(shū)的目的和梗概   參考文獻(xiàn) 第2章  有序多孔材料的制備方法   2.1  概述   2.2  二維有序多孔材料的制備     2.2.1  擠壓法     2.2.2  組裝—焊接法   2.3  三維有序多孔材料的制備     2.3.1  鑄造法     2.3.2  組裝—焊接法   2.4  有序多孔材料制備的焊接技術(shù)     2.4.1  釬焊技術(shù)     2.4.2  電阻焊   2.5  有序多孔材料的強(qiáng)化技術(shù)     2.5.1  拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整     2.5.2  梗的中空化強(qiáng)化     2.5.3  熱處理強(qiáng)化     2.5.4  加工硬化強(qiáng)化     2.5.5  復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化   參考文獻(xiàn) 第3章  二維有序多孔金屬材料   3.1  二維有序多孔材料的特征     3.1.1  什么是二維有序多孔材料     3.1.2  二維有序多孔材料的參數(shù)   3.2  流體流動(dòng)特性和壓損     3.2.1  單孔通道內(nèi)的摩擦壓降     3.2.2  多孔通道內(nèi)的壓降     3.2.3  相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究   3.3  傳熱     3.3.1  導(dǎo)熱—對(duì)流相耦合的傳熱過(guò)程     3.3.2  局部溫度和熱流分布     3.3.3  總體傳熱特征   3.4  本章小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第4章  三維有序金屬多孔材料——桁架結(jié)構(gòu)   4.1  三角錐桁架結(jié)構(gòu)的特征   4.2  流體流動(dòng)特征和壓降     4.2.1  A向流動(dòng)特征     4.2.2  B向流動(dòng)特征     4.2.3  壓降   4.3  傳熱     4.3.1  局部溫度分布     4.3.2  局部傳熱特性     4.3.3  總體傳熱特性     4.3.4  擴(kuò)展面引起的混合效應(yīng)與對(duì)流傳熱的對(duì)比   4.4  本章小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第5章  編織結(jié)構(gòu)的三維有序多孔金屬材料   5.1  編織結(jié)構(gòu)的特征     5.1.1  什么是編織結(jié)構(gòu)     5.1.2  編織結(jié)構(gòu)的三維有序多孔材料的參數(shù)   5.2  流體流動(dòng)特性與壓降     5.2.1  理論模型     5.2.2  實(shí)驗(yàn)研究   5.3  傳熱特性     5.3.1  有效熱導(dǎo)率     5.3.2  對(duì)流換熱     5.3.3  容積（對(duì)流）換熱系數(shù)   5.4  本章小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第6章  熱匯介質(zhì)熱流體性能的綜合評(píng)價(jià)   6.1  壓損評(píng)占   6.2  散熱能力評(píng)估   6.3  熱流體性能的綜合評(píng)估   6.4  本章小結(jié)   參考文獻(xiàn) 第7章  優(yōu)化設(shè)計(jì)   7.1  二維有序多孔金屬材料的肋片模擬模型     7.1.1  問(wèn)題的描述     7.1.2  情況Ⅰ：恒溫表面     7.1.3  情況Ⅱ：恒熱流表面   7.2  三維有序多孔金屬材料的肋片模擬模型Ⅰ：三角錐桁架     7.2.1  肋片控制方程的描述     7.2.2  傳熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式   7.3  三維有序多孔金屬材料的肋片模擬模型Ⅱ：編織結(jié)構(gòu)     7.3.1  肋片模型的控制方程     7.3.2  編織結(jié)構(gòu)的總體傳熱量   7.4  二維有序多孔金屬的優(yōu)化設(shè)計(jì)     7.4.1  優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的描述     7.4.2  漸近線交點(diǎn)分析法     7.4.3  優(yōu)化結(jié)果與討論   7.5  本章小結(jié)   參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　2.5.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整　　基于目前的金字塔、四角錐結(jié)構(gòu)，其單元的梗均是獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)其單元中的梗交錯(cuò)在一起的時(shí)候，梗的自由度就會(huì)產(chǎn)生變化。這種交錯(cuò)的梗結(jié)構(gòu)存在于典型的3IIKagome結(jié)構(gòu)中，與四角錐結(jié)構(gòu)相比，主要的變化特征在于存在三維約束的交錯(cuò)節(jié)點(diǎn)。Hyun等通過(guò)有限元分析研究表明，在壓縮和剪切載荷下，Kagome結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性和穩(wěn)定性更高；而wang等通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了其優(yōu)勢(shì)?！　∥靼步煌ù髮W(xué)超輕材料課題組張錢(qián)城等發(fā)現(xiàn)了一種X型新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)理論、實(shí)驗(yàn)和有限元分析均表明，與同一密度的金字塔結(jié)構(gòu)相比具有更高的壓縮和剪切性能?！　?.5.2 梗的中空化強(qiáng)化　　菱形織物桁架近來(lái)采用中空管材料，研究發(fā)現(xiàn)其與同一密度實(shí)芯線體材料相比具有更高的強(qiáng)度。研究認(rèn)為中空結(jié)構(gòu)具有更高的面積矩，因而其非彈性屈曲強(qiáng)度更高。因此，采用中空結(jié)構(gòu)方式成為一種重要的有序多孔材料強(qiáng)化技術(shù)。

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