气凝胶纳米多孔隔热材料传热计算模型的研究

本文研究并建立了气凝胶复合隔热材料传热计算模型.针对气凝胶纳米多孔材料的分形结构特征,结合规则交叉球杆结构,提出了气凝胶纳米多孔材料的分形交叉球杆结构模型,并以此结构模型为基础,建立了气凝胶纳米多孔材料热导率分形计算模型,模型中同时考虑了尺寸效应对气相、固相传热方式的影响.对气凝胶中添加的遮光剂、增强纤维等微米典型结构,以Mie辐射散射理论为基础,结合Rossland扩散近似模型,考虑了辐射传热对热量传递的增强作用;同时结合经典的两相系统等效热导率计算公式,获得复合材料的辐射导热耦合热导率计算模型.本文从纳米尺度的气凝胶多孔材料传热模型到微米尺度的气凝胶复合隔热材料传热模型,建立了完整的气凝胶纳米多孔复合隔热材料等效热导率计算模型.模型与多个文献中气凝胶材料热导率实验数值进行比较,获得了满意的结果,验证了模型应用于气凝胶复合隔热材料等效热导率预测计算方面的有效性.     

基于格子Boltzmann方法的纤维增强气凝胶复合材料等效热导率求解

对于纤维增强SiO2气凝胶复合隔热材料的等效热导率,以往主要通过提出简化结构之后利用等效电路方法进行理论求解。本文提出一种纤维结构的计算机随机生成方法,生成了不同的纤维气凝胶复合材料等效结构单元;采用三维格子Boltzmann模型求解该等效结构的温度场,并计算了复合材料常温下的等效热导率。本文数值预测结果与理论计算结果及相关实验结果吻合良好,表明本文模型能够有效地预测纤维-气凝胶复合材料的等效热导率。     

非均匀多孔介质有效热导率分析

本文采用控制容积法,界面调和平均导热系数值以及图形处理方法对典型非均匀多孔介质硬质聚氨酯泡沫材料的导热过程进行了分析与模拟计算。结果表明:多孔介质的内部结构是影响温度分布和热量传递的主要的因素,其影响程度与骨架和孔隙的导热系数,孔隙的大小和分布有关;计算得到的有效热导率值与文献中实验测量结果吻合较好。本文的研究结果可以推广到更为复杂的非均匀多孔介质的场合,从而可以进一步认识非均匀多孔介质中的导热规律,为工程计算提供更精确的计算方法。     

基于LBM的多孔陶瓷有效热导率和相变传热分析

多孔氮化铝陶瓷具有高导热、耐熔盐腐蚀等优点在相变材料封装方面具有较大应用前景。本文采用微米计算机断层扫描(CT)得多孔氮化铝的灰度图像,并精准重构三维孔隙结构。并采用四参数随机生长、堆积颗粒、维诺结构等数值方法建立结构模型。基于介观尺度的格子玻尔兹曼方法 (LBM),计算了多孔陶瓷的有效热导率,结果表明维诺结构与CT真实重构的热导率接近。采用三维焓法LBM模拟了多孔骨架内的相变传热过程,获得了孔隙尺度对流相变的传热机理,并分析了不同孔隙率时的储热密度和复合材料的有效热导率。基于CT扫描和LBM的相变传热模拟有助于快速分析骨架的热特性,为多孔骨架的设计提供理论基础。     

石墨泡沫新材料导热的分形模型

新型导热材料石墨泡沫具有很好的热物理性质。本文在实验获取这种新型多孔材料的基础上,建立了基于分形理论的材料结构和导热模型,采用热阻法给出了石墨泡沫材料的等效导热系数的关系式,计算了石墨泡沫的剖面孔隙面积分形维数和等效导热系数.     

辐射模型和弥散效应对多孔介质内燃烧影响的数值模拟

本文根据气固两相局部非热平衡假设,建立了甲烷/空气预混气在惰性多孔介质内的一维层流燃烧数学模型。分别采用附加导热、Rossland模型和二通量法模型求解固体能量方程中的辐射源项,研究了热辐射模型和弥散效应对多孔介质内燃烧火焰结构的影响。结果表明,多孔固体表面辐射的影响不可忽略,辐射模型对火焰温度的预测影响显著,而弥散效应对气体温度的分布及反应热影响则较小。     

考虑弥散效应的多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟

研究多孔介质内往复流动下的超绝热燃烧。一维模型包括气体输运、多孔介质固体的辐射、导热和气固两相间的对流换热。通过数值计算研究超绝热燃烧的形成、以及弥散效应、当量比和多孔介质材料本身对超绝热燃烧特性的影响。计算结果的有效性通过实验进行了验证并取得了相同的趋势。结果表明,组分弥散效应对气体温度分布和反应热影响很小;同一工况下,不考虑气体混合物的热弥散效应,会导致过高的气体温度计算值。同时,计算结果表明小孔径的多孔介质更有利于贫可燃极限的扩展,对30 ppi的多孔介质燃烧器,得到了当量比为0．092的可燃极限。     

气体在微孔介质中的等效扩散系数预测

本文通过数值模拟研究了微孔介质内部结构对气体等效扩散系数的影响。采用随机生成生长方法生成多孔介质的三维微观结构,使用高效的格子-Boltzmann方法求解扩散的控制方程,可预测微孔结构内气体的等效扩散系数。模拟结果表明:微孔材料的内部结构对多孔介质中气体扩散及等效扩散系数有显著影响。对于高孔隙率情况,基于Fick定律数值预测的气体等效扩散系数和实验结果吻合较好;对于部分饱和的颗粒状微孔介质,孔隙内液滴阻碍了气体的扩散路径,多孔介质的无量纲等效扩散系数与饱和度呈非线性关系。     

氧化铝纤维传热方式及反问题研究

本文分析了典型热防护绝热材料氧化铝纤维内部的传热方式及传热反问题。氧化铝纤维内部的传热主要以固体纤维导热、纤维孔隙气体导热和辐射传热为主。本文以气-固耦合导热模型和辐射模型为依据,利用数值方法求解了氧化铝纤维内部的温度场,并拟合得出耦合气体导热,固体导热和辐射三种方式的有效热导率。本文利用遗传算法求解氧化铝纤维的稳态传热反问题,根据氧化铝纤维的温度数据,优化得到有效热导率的预测值,并与参考值进行对比,结果表明在一定进化代数内优化误差随进化代数的增加而减小。     

气凝胶单元体模型结构参数与等效热导率研究

本文基于二氧化硅气凝胶的微观结构特点,运用小球构成的立方阵列单元体纳米孔隙模型,结合固相导热和气相传热的尺度效应,计算得到了一定尺寸范围内材料的等效热导率,分析了材料密度、颗粒接触面积、材料比表面积等因素对材料等效热导率的影响。结果表明:存在使气凝胶等效热导率取最小值的最佳密度;在一定的密度范围内,孔隙率一定时,材料的等效热导率随比表面积的增大而减小;颗粒间接触界面直径与固相颗粒直径的比值越大,等效热导率越低,在该比值一定时,气孔的尺寸和分布成为影响模型等效热导率的关键因素。     

Heat Conduction and Characteristic Size of Fractal Porous Media

Based on fractal theory, two types of random Sierpinski carpets （RSCs） and their periodic structures are generated to model the structures of natural porous media, and the heat conduction in these structures is simulated by the finite volume method. The calculated results indicate that in a certain range of length scales, the size and spatial arrangement of pores have significant influence on the effective thermal conductivity, and the heat conduction presents the aeolotropic characteristic. Above the length scale, however, the influence of size and spatial arrangement of pores on the effective thermal conductivity reduces gradually with the increasing characteristic size of porous media, the aeolotropic characteristic is weakened gradually. It is concluded that the periodicity in structures of porous media is not equal to the periodicity in heat conduction.     

二维多孔热密封材料的有效导热系数模拟

本文对于二维多孔热密封材料的有效导热系数模拟提出一种简单有效的方法,它可以模拟介于固相连续和固相不连续之间的任何形式的孔隙分布结构,通过类比多孔渗流模型得出一种相关系数,再根据热阻串并联的关系计算四种可计算模型的有效导热系数,通过相关系数得到具体模型的有效导热系数。本文的模拟方法可以控制孔隙率、孔径、孔隙分布、温度等影响有效导热系数的重要参数,考虑了辐射的影响,而且模拟简单,计算快速,模拟结果与文献中实验的结果相比较能很好的吻合,验证了本文方法的正确性。     

基于分形理论的多孔介质导热系数研究

本文根据分形理论,对多孔介质几何结构进行了描述,计算出了不同孔隙率多孔介质简化模型的剖面面积分布分形维数d,并利用分形维数结合土壤导热模型推出了土壤的有效导热系数表达式,计算结果表明,该方法是符合客观实际的．     

分形多孔介质中的热传导

本文将多孔介质视为由骨架和空隙组成的二元混合介质,研究了多孔介质中的热传导过程,发现分形结构中的导热规律与孔隙的分布有关,存在着与实体导热完全不同的特征。计算表明,分形介质中的导热过程除了与基质(骨架)的分形维数有关外,还与基质率以及反映介质中热量传递动态过程有关。     

生物组织的当量导热系数分析

导热对研究冷刀治疗的传热过程很重要.为了对冷刀治疗热过程有更好的理解,本文研究了生物组织的当量导热系数以及相关因素对当量导热系数的影响.将生物组织视为多孔介质,包括血管和正常组织两部分.建立了血管的分形模型,通过分形维的概念得到血管树的当量导热系数,采用盒计数法得到生物组织的当量导热系数.研究结果表明血管树的形状对组织的当量导热系数有很大的影响.     

Experimental and theoretical studies on high-temperature thermal properties of fibrous insulation

In the present paper, an experimental apparatus has been developed to measure heat transfer through high-alumina fibrous insulation for thermal protection system. Effective thermal conductivities of the fibrous insulation were measured over a wide range of temperature (300-973 K) and pressure (10⁻²-10⁵ Pa) using the developed apparatus. The specific heat and the transmittance spectra in the wavelength range of 2.5-25 μm were also measured. The spectral extinction coefficients and Rosseland mean extinction coefficients were obtained from transmittance data at various temperatures to investigate the radiative heat transfer in fibrous insulation. A one-dimensional finite volume numerical model combined radiation and conduction heat transfer was developed to predict the behavior of the effective thermal conductivity of the fibrous insulation at various temperatures and pressures. The two-flux approximation was used to model the radiation heat transfer through the insulation. The experimentally measured specific heat and Rosseland mean extinction coefficients were used in the numerical heat transfer model to calculate the effective thermal conductivity. The average deviation between the numerical results for different values of albedo of scattering and the experimental results was investigated. The numerical results for ω=1 and experimental data were compared. It was found that the calculated values corresponded with the experimental values within an average of 13.5 percent. Numerical results were consistent with experimental results through the environmental conditions under examination.     

空间屏打孔多层隔热材料热计算模型

分析了空间屏打孔多层隔热材料中导热和辐射的复合传热问题,在一定假设的基础上,根据反射屏能量平衡方程,建立了反射屏稳态温度计算模型和投射辐射数值分析模型。结合AD I法,对两个方程组进行迭代求解,得到材料屏间投射辐射热流和反射屏的温度。将文中模型的预测结果与文献中实验值进行比较,验证了模型在工程上应用的可行性。同时分析了当量导热系数、各种热流以及内部温度分布随层密度的变化规律,对材料的优化设计具有积极的指导意义。     

Thermal conductivity of micro/nano-porous polymers: Prediction models and applications

Micro/nano-porous polymeric material is considered a unique industrial material due to its extremely low thermal conductivity, low density, and high surface area. Therefore, it is necessary to establish an accurate thermal conductivity prediction model suiting their applicable conditions and provide a theoretical basis for expanding their applications. In this work, the development of the calculation model of equivalent thermal conductivity of micro/nano-porous polymeric materials in recent years is summarized. Firstly, it reviews the process of establishing the overall equivalent thermal conductivity calculation model for micro/nanoporous polymers. Then, the predicted calculation models of thermal conductivity are introduced separately according to the conductive and radiative thermal conductivity models. In addition, the thermal conduction part is divided into the gaseous thermal conductivity model, solid thermal conductivity model and gas–solid coupling model. Finally, it is concluded that, compared with other porous materials, there are few studies on heat transfer of micro/ nanoporous polymers, especially on the particular heat transfer mechanisms such as scale effects at the micro/nanoscale. In particular, the following aspects of porous polymers still need to be further studied: micro scaled thermal radiation, heat transfer characteristics of particular morphologies at the nanoscales, heat transfer mechanism and impact factors of micro/nanoporous polymers. Such studies would provide a more accurate prediction of thermal conductivity and a broader application in energy conversion and storage systems.