复合相变材料有效导热系数计算1.13

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1、泡沫金属基复合相变材料的有效导热系数研究徐伟强，袁修干（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191）摘要：为了更有效地预测泡沫金属基复合相变材料(compositephasechangematerial,CPCM)的导热性能，提出了一种新的CPCM相分布模型，以此为基础建立了带有空穴子模型的简化传热模型，并利用等效热阻法推导得到泡沫金属基CPCM有效导热系数的通用计算式。本文传热模型考虑了相变过程中相变材料（phasechangematerial,PCM）的体积变化和空穴分布的影响，使得有效导热系数的计算结果更加符合实际。关键词：泡沫金属基复合相变材料；有效导热系数；空穴中图分类号

2、：TB333，TK123文献标识码：A文章编号：1引言泡沫金属基CPCM是一种由泡沫金属和PCM复合而成的新型功能材料。泡沫金属具有独特的多孔结构和优异性能，PCM被分散成小颗粒储藏在泡沫金属孔隙中，金属骨架起到强化传热作用，能显著提高PCM的导热系数；而PCM中的空穴也因为毛细作用分散在孔隙中，避免了因空穴集中而产生的局部热阻和热应力。由于泡沫金属基CPCM复杂的多孔结构，传统研究方法很难准确计算其导热系数。张海峰[1]等人用随机生成的空间结构模拟各向异性的颗粒弥散型复合材料，采用热阻网络法直接迭代求解得到复合材料的导热系数。曾竟成[2]将复合材料的复合状态划分为平行板式、连续增强式和颗粒

3、填充式三种相分布模型，分别给出了三种相分布状态下复合材料有效导热系数的计算式。祁先进[3]在泡沫金属基CPCM的导热性能研究中，直接采用了曾竟成的颗粒填充式相分布模型以及相应的有效导热系数计算式。基金项目：国家自然科学基金资助项目（50276001）通讯作者：徐伟强（北京航空航天大学505教研室，100191），xwq@ase.buaa.edu.cn，010-82317574，13810171900作者简介：徐伟强（1981－），男，浙江新昌人，在读博士，主要从事相变蓄热技术、相变材料强化传热的研究。近年来，Pitchumani[4]和Sabau[5]等人将分形理论引入多孔介质有效导热系数的

4、研究中，陈永平[6]、张新铭[7]、俞自涛[8]等人又分别将分形模型应用于土壤、石墨泡沫和木纹横纹等多孔结构的有效导热系数计算中，为多孔介质有效热物性的理论预测开辟了一条新路。然而文献[1]中各向异性的随机结构模型和文献[2]的颗粒填充式模型都与泡沫金属基CPCM的微观结构差异较大；文献[1]的离散迭代求解需要大量的节点信息存储空间，并产生很大计算量；而利用分形模型计算时，确定多孔介质的局部分形维数不仅过程复杂，且计算量大；尤其重要的是上述几种方法都无法解决泡沫金属基CPCM中PCM在相变时的体积变化和空穴分布对有效导热系数计算的影响。本文针对泡沫金属基CPCM的微观结构特征提出了一种新的复

5、合材料相分布模型—立体骨架式相分布，在此基础上建立了泡沫金属基CPCM的传热模型，并且在传热模型中增加空穴子模型使得传热过程的描述更接近于实际，然后利用等效热阻法推导得到了有效导热系数的计算式。2泡沫金属基CPCM传热模型2.1立体骨架式相分布模型图1的扫描电镜照片显示了典型泡沫金属材料的微观结构，可以看到相互连通的孔隙部分占到了泡沫金属材料的绝大部分空间，其间的金属基体材料呈立体骨架结构。不同孔隙单元的结构并不完全相同，但是从较大范围来看则具有相似特性。图1泡沫金属材料的扫描电镜照片Fig1SEMphotographoftypicalmetalfoammaterial泡沫金属材料微观结构的

6、均匀性和各向同性带来其导热过程的各向同性。针对这些特性对其结构进行简化，本文提出了泡沫金属基CPCM的立体骨架式相分布模型，如图2所示：研究选取的孔隙单元为立方体，中间为填充的相变材料，四周为由正方形直棱柱组成的金属骨架。填充PCM泡沫金属骨架2a2b图2泡沫金属基CPCM孔隙单元模型Fig2ModelofmetalfoammatrixCPCM’scell金属骨架cq液态PCM空穴固态PCM空穴csab图3包含空穴子模型的传热模型Fig3Heattransfermodelincludingvoidsubmodel2.2空穴子模型出于填充工艺的限制，PCM不可能完全充满泡沫金属的孔隙，因此CP

7、CM内必然会存在一定的空穴，另外相变过程中PCM的密度变化还会引起空穴体积的变化。空穴的分布和体积变化给CPCM的传热性能研究增加了难度，此前的研究工作一般都忽视空穴的存在，通过假设PCM充满孔隙并忽略其体积变化来简化CPCM的传热问题，但是也影响了计算精度。本文在CPCM立体骨架式相分布模型的基础上，根据PCM相变时的体积变化特点以及空穴在泡沫金属孔隙中的分布规律，在传热模型中增加空穴子模型来考虑空穴的分布