復合燒結金屬絲網(wǎng)流動換熱特性實驗研究

馬建棟，鄒 咪，郭 文，呼艷麗，徐連強，梁津華

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

多孔介質廣泛應用于工業(yè)生產中，如太陽能系統(tǒng)[1]、過濾系統(tǒng)[2]以及相陣雷達系統(tǒng)[3]等。近年來，多孔介質在發(fā)散冷卻層板葉片中的應用也備受關注[4-8]。編織金屬絲網(wǎng)是典型的多孔介質，具有優(yōu)良的過濾性能以及機械性能，且造價相對低廉，易于加工成復雜形狀。金屬絲網(wǎng)一般以單層網(wǎng)的編織方式分類[9]，通過改變金屬絲網(wǎng)編織方式以及不同編織方向的絲徑，可以使其呈現(xiàn)各向異性，適應不同方向的載荷。此外，金屬絲網(wǎng)燒結后可提高整體強度，傳熱傳質更均勻[10]。

近年來，很多學者從基本性質及應用方面對金屬絲網(wǎng)進行了研究，其中包括多項數(shù)值模擬[6-11]和實驗研究[12-25]。Wu 等[20]以空氣為工質，測量了不同流量下空氣流過金屬絲網(wǎng)時的壓降，提出并擴展了相應的摩擦因子經(jīng)驗關系式。Kays等[21]測量了4種不同平紋網(wǎng)的摩擦因子。熊宴斌[22]、李亨[23]等也對金屬絲網(wǎng)的流動參數(shù)進行了研究。Wirtz等[24]發(fā)現(xiàn)，相對于金屬顆粒，金屬絲網(wǎng)的有效導熱率更大，在流過相同體積的流體時有更好的換熱特性。Liu 等[25]對不同孔隙率的斜紋密紋網(wǎng)進行了流動和換熱研究，并得到了相應的經(jīng)驗關系式。

從公開文獻中可發(fā)現(xiàn)，對金屬絲網(wǎng)流動換熱特性的實驗研究主要針對均勻孔隙率材料，缺乏對變孔隙率流動換熱特性的研究。為此，本文對雙層及三層不均勻孔隙率的斜紋密紋金屬絲網(wǎng)進行了流動換熱研究，得到了變孔隙率金屬絲網(wǎng)的流阻特性及換熱特性，并與均勻孔隙率實驗件的流動換熱特性進行了對比；同時還研究了空氣從具有兩種孔隙率的實驗件的不同側流入時實驗件的流動和換熱特性。

2 實驗方法

2.1 金屬絲網(wǎng)編織結構及實驗件

研究對象為斜紋密紋網(wǎng)，俗稱荷蘭網(wǎng)，通過徑絲與緯絲相互交叉壓疊的方式編織成網(wǎng)。圖1示出了單層網(wǎng)的編織方式及表面結構，其經(jīng)絲與緯絲絲徑分別為0.12 mm 及0.16 mm。文中實驗件由具有不同均勻孔隙率的金屬絲網(wǎng)材料復合燒結軋制而成，其制作過程采用了兩種孔隙率(37%和55%)的燒結金屬絲網(wǎng)。復合前，金屬絲網(wǎng)的參數(shù)如表1所列。

圖1 斜紋密紋網(wǎng)編織方式及表面結構Fig.1 Weaving way and structure amplification of Holland wire mesh

表1 燒結金屬絲網(wǎng)平均孔徑與孔隙率Table 1 Averaged pore diameter and porosity of

圖2為雙層實驗件結構示意圖。雙層實驗件由具有不同孔隙率的A、B兩部分組成，每部分沿流動方向的厚度均為3 mm，且每部分內部的孔隙率均勻。為便于表述，當空氣從孔隙率為ε1的A 部分流入孔隙率為ε2的B 部分時，記為ε1+ε2。同理，對三層實驗件，其制作過程相同，但每部分沿流動方向的厚度為2 mm。

圖2 雙層實驗件結構示意圖Fig.2 Dimension figure of double layer test piece

表2 列出了實驗件孔隙率組合方式。其中，37%+55%表示空氣首先流過孔隙率為37%的部分，然后再流過55%的部分。1#與2#實驗件為同一實驗件，兩者僅空氣流入方向不同。

表2 實驗件孔隙率組合方式Table 2 Test No.and porosity combination

2.2 實驗裝置

圖3為實驗系統(tǒng)原理圖。實驗系統(tǒng)主要由供氣裝置、實驗段和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分構成。

圖3 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental system

2.2.1 供氣裝置

空氣供給由高壓空氣壓縮機提供，最大表壓為0.7 MPa。為使氣流穩(wěn)定，空氣首先經(jīng)過穩(wěn)壓儲氣罐，然后流經(jīng)過濾裝置和質量流量計，并經(jīng)過穩(wěn)壓閥門節(jié)流后通過實驗段。通過調節(jié)穩(wěn)壓閥門控制流量及進口壓力。當實驗段進、出口壓差變送器采集的壓差值變化小于20 Pa時，認為氣流達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 實驗段

圖4為實驗段原理圖。實驗件通過銅塊電極壓緊并通電，利用自身電阻進行加熱，類似均勻體熱源。

圖4 實驗段原理圖Fig.4 Schematic diagram of test section

2.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要測量的參數(shù)包括實驗件進出口溫度、壓力、流量以及實驗件壁面溫度。實驗件前后各布置一個K型熱電偶(熱電偶1和熱電偶2)分別測量實驗件進出口溫度(圖4)。其中，熱電偶2 可沿實驗件縱向移動，采集7個溫度值，實驗件出口溫度取其平均值。實驗件壁面溫度使用FLIR SC7000M 紅外熱像儀測量，并由熱像儀內部軟件系統(tǒng)積分平均得到壁面的平均溫度?？諝赓|量流量采用FCI-ST98 型熱式質量流量計(精度0.5%測量值)測量，實驗段前后壓降使用羅斯蒙特壓差變送器(精度0.025%測量值)測量，變送器的高低壓端分別接圖4中壓力1和壓力2。

2.3 參數(shù)設計

流體經(jīng)過多孔介質的壓降一般用達西公式描述，實驗中實驗件的滲透系數(shù)與慣性系數(shù)通過達西-弗切邁爾公式擬合得到：

式中：Δp為實驗件前后壓差，δ為實驗件厚度，μ為工質動力黏性系數(shù)，K為滲透系數(shù)，u為工質速度，Rf為慣性系數(shù)，ρ為工質密度。K和Rf是與多孔介質流動特性有關的重要參數(shù)，一般需要通過實驗測定。

流體經(jīng)過多孔介質后的壓降可歸結為黏性損失和動能損失，衡量二者相對大小的參數(shù)為摩擦因子。大量研究表明，摩擦因子是表征多孔介質內部流動特性的重要參數(shù)。本文中，雷諾數(shù)和摩擦因子定義如下：

式中：特征尺寸ds為平均絲徑，取0.14 mm；為空氣質量流量；Ac為氣流通道截面積。

流體經(jīng)過金屬絲網(wǎng)后的換熱特性由努賽爾數(shù)表征。努賽爾數(shù)定義為：

式中：Q為空氣吸熱量；hsf為流體與實驗件之間的換熱系數(shù)；Tf為流體特征溫度，取實驗件進口溫度Tin；kf和cp分別為空氣導熱系數(shù)和質量定壓熱容；Tout為實驗件出口溫度；Tw為實驗件壁面平均溫度；S為多孔介質內部換熱面積，，V為實驗件體積，ε為孔隙率，dp為等效顆粒直徑且，dh為金屬絲網(wǎng)平均孔徑。

計算雙層和三層實驗件總的內部換熱面積Stot時各部分分別計算并相加。雙層孔隙率組合的實驗件，計算Stot時的體積Vt取實驗件體積的一半，即；三層孔隙率組合的實驗件，計算Stot時的體積Vt取實驗件體積的三分之一，即。因此，努賽爾數(shù)計算式可寫為：

式中：n根據(jù)試驗件的孔隙率組合取2或3，孔隙率組合為ε1+ε2時n=2，孔隙率組合為ε1+ε2+ε1時n=3。

2.4 誤差分析

實驗中，實驗件尺寸、空氣物性參數(shù)數(shù)值波動很小，其造成的誤差可忽略。根據(jù)誤差傳遞理論[24]，雷諾數(shù)、摩擦因子、努賽爾數(shù)的最大誤差分別為6.1%，9.3%和14.4%。

3 結果與討論

3.1 流動特性

各實驗件在不同空氣質量流量下的壓降如圖5所示，其中37%和55%孔隙率的壓降特性引自文獻[25]?？梢钥闯觯嗤髁肯拢?#與2#實驗件的壓降基本相同，3#實驗件的壓降低于1#及2#的壓降，1#、2#以及3#的壓降均處于孔隙率37%和55%實驗件的壓降之間。

圖5 實驗件壓降分布曲線Fig.5 Pressure drop curves for test pieces

圖6為由壓降及達西公式擬合而得的實驗件滲透特性曲線?？梢钥闯觯谶M口速度增大及孔隙率減小時，曲線趨于二次曲線，說明慣性效應增強。

圖6 達西公式擬合滲透特性曲線Fig.6 Fitting Darcy equation curves for test pieces

表3給出了通過修正的達西公式以及實驗件前后壓降擬合求出的實驗件滲透系數(shù)與慣性系數(shù)?？梢钥闯觯?#、2#實驗件的滲透系數(shù)與慣性系數(shù)相差較小，說明氣流從不同側進入多孔介質時的流阻接近。而3#實驗件的滲透系數(shù)比1#和2#的大，表現(xiàn)為孔隙率越大滲透系數(shù)越大，這與文獻[25]的結論一致。這表明復合實驗件的滲透性主要由平均孔隙率主導，孔隙率大的部分越多，滲透系數(shù)越大，該結論符合預期。從3 個實驗件的慣性系數(shù)看，1#～3#實驗件的相差不大。

表3 實驗件滲透系數(shù)與慣性系數(shù)Table 3 Permeability and inertia coefficient of multiple-laminated sintered metal wire mesh

將文獻[25]中的摩擦因子與雷諾數(shù)換算成與本文定義的一致后，各實驗件摩擦因子隨雷諾數(shù)的變化趨勢如圖7 所示?？煽闯?，各實驗件摩擦因子隨雷諾數(shù)增大呈非線性減小，并逐漸趨于定值。同一雷諾數(shù)下，孔隙率越大摩擦因子越大。1#與2#實驗件的摩擦因子曲線基本重合，3#實驗件摩擦因子較1#與2#實驗件的小，表明多種孔隙率的金屬絲網(wǎng)再次組合燒結后，其摩擦因子由各組成部分共同決定。

圖7 摩擦因子隨雷諾數(shù)變化曲線Fig.7 Friction factors comparison of test pieces

3.2 換熱特性

多孔介質孔隙率的變化會引起其內部重要參數(shù)的改變，包括內部表面積、有效導熱率以及平均孔徑等，從而引起流動和換熱的改變。根據(jù)文獻[7]和文獻[8]，多孔介質的孔隙率是一個復合型參數(shù)。一方面，孔隙率增大會使?jié)B透性增強，從而增強流體與多孔介質骨架的換熱；另一方面，孔隙率增大又會導致有效導熱率降低，使得體積換熱系數(shù)變小從而減弱熱耗散的能力。

圖8為各實驗件努賽爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化?？梢钥闯?，實驗件的Nu隨Re的增大而增大，且增長趨勢趨于平緩，低Re時1#～3#實驗件的Nu相差不大。這與金屬絲網(wǎng)良好的換熱性能有關，在小流量下即使很少的冷卻流體也能有效地從骨架帶走熱量。同一Re下，1#實驗件的Nu比2#實驗件的小，亦即當空氣從大孔隙率一側進入多孔介質時，實驗件的換熱能力更強。導致這一結果的原因可能是：①對于1#實驗件，空氣首先冷卻孔隙率37%的部分，2#實驗件則剛好相反，由于孔隙率越高Nu越大，對兩部分復合的多孔介質來說，前半部分的熱交換對整體的影響更大；②1#實驗件前半部分的換熱不如2#實驗件的強，其沿程當?shù)豊u的降低加劇了后半部分換熱能力與2#實驗件的差距。3#實驗件的Nu比1#和2#實驗件的均低，說明不同孔隙率的多孔介質復合時，將降低實驗件整體的換熱能力。

圖8 不同實驗件努賽爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化Fig.8 Overall Nusselt number of different porosity combination

圖9為不同雷諾數(shù)下1#與2#實驗件的壁面溫度分布?？梢钥闯觯驲e下多孔介質內部的溫度分布更均勻。由于黏性影響，實驗件上、下邊緣的溫度比中間部分的高，圖中可清楚地觀察到孔隙率不同的兩部分的分界以及壁面溫度區(qū)別。另外，2#實驗件的溫度分布較1#實驗件的更均勻，這也更直觀地體現(xiàn)了上文中同一Re下1#實驗件的Nu低于2#實驗件的現(xiàn)象。

圖10 給出了不同雷諾數(shù)下2#實驗件表面溫度沿通道中心線0-0(其位置見圖9 中Re=11.2)的變化。可以看出，金屬絲網(wǎng)的溫度沿流向逐漸升高，這與文獻[9]、[11]中的結論一致。另外，Re=11.2時，X＜3 mm與X＞3 mm的溫度變化明顯不同，X＞3 mm的溫度波動得更明顯。這說明不同孔隙率的兩部分換熱有差別，這與圖9中壁面溫度的分布相吻合。

圖9 實驗件表面溫度分布隨雷諾數(shù)的變化Fig.9 Temperature distribution of specimens

圖10 2#實驗件沿中心線0-0的溫度變化Fig.10 Temperature variation along center line 0-0

4 結論

采用實驗方法對沿流向孔隙率發(fā)生變化的燒結斜紋密紋金屬絲網(wǎng)進行了流動和換熱研究，并與同種編織方式具有均勻孔隙率的金屬絲網(wǎng)的流動和換熱進行了比較，主要得到以下結論：

(1) 對于沿流向有兩種孔隙率的雙層實驗件，空氣從具有不同孔隙率的兩側流入時其壓降特性相同，滲透系數(shù)、慣性系數(shù)以及摩擦因子也基本相同，其滲透特性主要由平均孔隙率主導，孔隙率大的部分越多滲透系數(shù)越大；3 個實驗件的慣性系數(shù)相差不大。

(2) 各實驗件的摩擦因子均隨雷諾數(shù)增大呈非線性減小，且相比于均勻孔隙率的實驗件，具有復合孔隙率的實驗件摩擦因子差異較小。隨著雷諾數(shù)進一步增大，摩擦因子逐漸趨于一常數(shù)；同一雷諾數(shù)下，三層實驗件的摩擦因子較雙層實驗件的小。

(3) 對于雙層實驗件，當空氣從孔隙率大的一側注入時，其換熱能力更強，壁面溫度分布也更均勻；三層實驗件換熱能力較雙層的差，不同孔隙率的多孔介質復合時，將降低實驗件整體的換熱能力。