复合烧结金属丝网流动换热特性实验研究

马建栋，邹 咪，郭 文，呼艳丽，徐连强，梁津华

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500)

1 引言

多孔介质广泛应用于工业生产中，如太阳能系统[1]、过滤系统[2]以及相阵雷达系统[3]等。近年来，多孔介质在发散冷却层板叶片中的应用也备受关注[4-8]。编织金属丝网是典型的多孔介质，具有优良的过滤性能以及机械性能，且造价相对低廉，易于加工成复杂形状。金属丝网一般以单层网的编织方式分类[9]，通过改变金属丝网编织方式以及不同编织方向的丝径，可以使其呈现各向异性，适应不同方向的载荷。此外，金属丝网烧结后可提高整体强度，传热传质更均匀[10]。

近年来，很多学者从基本性质及应用方面对金属丝网进行了研究，其中包括多项数值模拟[6-11]和实验研究[12-25]。Wu 等[20]以空气为工质，测量了不同流量下空气流过金属丝网时的压降，提出并扩展了相应的摩擦因子经验关系式。Kays等[21]测量了4种不同平纹网的摩擦因子。熊宴斌[22]、李亨[23]等也对金属丝网的流动参数进行了研究。Wirtz等[24]发现，相对于金属颗粒，金属丝网的有效导热率更大，在流过相同体积的流体时有更好的换热特性。Liu 等[25]对不同孔隙率的斜纹密纹网进行了流动和换热研究，并得到了相应的经验关系式。

从公开文献中可发现，对金属丝网流动换热特性的实验研究主要针对均匀孔隙率材料，缺乏对变孔隙率流动换热特性的研究。为此，本文对双层及三层不均匀孔隙率的斜纹密纹金属丝网进行了流动换热研究，得到了变孔隙率金属丝网的流阻特性及换热特性，并与均匀孔隙率实验件的流动换热特性进行了对比；同时还研究了空气从具有两种孔隙率的实验件的不同侧流入时实验件的流动和换热特性。

2 实验方法

2.1 金属丝网编织结构及实验件

研究对象为斜纹密纹网，俗称荷兰网，通过径丝与纬丝相互交叉压叠的方式编织成网。图1示出了单层网的编织方式及表面结构，其经丝与纬丝丝径分别为0.12 mm 及0.16 mm。文中实验件由具有不同均匀孔隙率的金属丝网材料复合烧结轧制而成，其制作过程采用了两种孔隙率(37%和55%)的烧结金属丝网。复合前，金属丝网的参数如表1所列。

图1 斜纹密纹网编织方式及表面结构Fig.1 Weaving way and structure amplification of Holland wire mesh

表1 烧结金属丝网平均孔径与孔隙率Table 1 Averaged pore diameter and porosity of

图2为双层实验件结构示意图。双层实验件由具有不同孔隙率的A、B两部分组成，每部分沿流动方向的厚度均为3 mm，且每部分内部的孔隙率均匀。为便于表述，当空气从孔隙率为ε1的A 部分流入孔隙率为ε2的B 部分时，记为ε1+ε2。同理，对三层实验件，其制作过程相同，但每部分沿流动方向的厚度为2 mm。

图2 双层实验件结构示意图Fig.2 Dimension figure of double layer test piece

表2 列出了实验件孔隙率组合方式。其中，37%+55%表示空气首先流过孔隙率为37%的部分，然后再流过55%的部分。1#与2#实验件为同一实验件，两者仅空气流入方向不同。

表2 实验件孔隙率组合方式Table 2 Test No.and porosity combination

2.2 实验装置

图3为实验系统原理图。实验系统主要由供气装置、实验段和数据采集系统三部分构成。

图3 实验系统示意图Fig.3 Schematic diagram of the experimental system

2.2.1 供气装置

空气供给由高压空气压缩机提供，最大表压为0.7 MPa。为使气流稳定，空气首先经过稳压储气罐，然后流经过滤装置和质量流量计，并经过稳压阀门节流后通过实验段。通过调节稳压阀门控制流量及进口压力。当实验段进、出口压差变送器采集的压差值变化小于20 Pa时，认为气流达到稳定状态。

2.2.2 实验段

图4为实验段原理图。实验件通过铜块电极压紧并通电，利用自身电阻进行加热，类似均匀体热源。

图4 实验段原理图Fig.4 Schematic diagram of test section

2.2.3 数据采集系统

数据采集系统中需要测量的参数包括实验件进出口温度、压力、流量以及实验件壁面温度。实验件前后各布置一个K型热电偶(热电偶1和热电偶2)分别测量实验件进出口温度(图4)。其中，热电偶2 可沿实验件纵向移动，采集7个温度值，实验件出口温度取其平均值。实验件壁面温度使用FLIR SC7000M 红外热像仪测量，并由热像仪内部软件系统积分平均得到壁面的平均温度。空气质量流量采用FCI-ST98 型热式质量流量计(精度0.5%测量值)测量，实验段前后压降使用罗斯蒙特压差变送器(精度0.025%测量值)测量，变送器的高低压端分别接图4中压力1和压力2。

2.3 参数设计

流体经过多孔介质的压降一般用达西公式描述，实验中实验件的渗透系数与惯性系数通过达西-弗切迈尔公式拟合得到：

式中：Δp为实验件前后压差，δ为实验件厚度，μ为工质动力黏性系数，K为渗透系数，u为工质速度，Rf为惯性系数，ρ为工质密度。K和Rf是与多孔介质流动特性有关的重要参数，一般需要通过实验测定。

流体经过多孔介质后的压降可归结为黏性损失和动能损失，衡量二者相对大小的参数为摩擦因子。大量研究表明，摩擦因子是表征多孔介质内部流动特性的重要参数。本文中，雷诺数和摩擦因子定义如下：

式中：特征尺寸ds为平均丝径，取0.14 mm；为空气质量流量；Ac为气流通道截面积。

流体经过金属丝网后的换热特性由努赛尔数表征。努赛尔数定义为：

式中：Q为空气吸热量；hsf为流体与实验件之间的换热系数；Tf为流体特征温度，取实验件进口温度Tin；kf和cp分别为空气导热系数和质量定压热容；Tout为实验件出口温度；Tw为实验件壁面平均温度；S为多孔介质内部换热面积，，V为实验件体积，ε为孔隙率，dp为等效颗粒直径且，dh为金属丝网平均孔径。

计算双层和三层实验件总的内部换热面积Stot时各部分分别计算并相加。双层孔隙率组合的实验件，计算Stot时的体积Vt取实验件体积的一半，即；三层孔隙率组合的实验件，计算Stot时的体积Vt取实验件体积的三分之一，即。因此，努赛尔数计算式可写为：

式中：n根据试验件的孔隙率组合取2或3，孔隙率组合为ε1+ε2时n=2，孔隙率组合为ε1+ε2+ε1时n=3。

2.4 误差分析

实验中，实验件尺寸、空气物性参数数值波动很小，其造成的误差可忽略。根据误差传递理论[24]，雷诺数、摩擦因子、努赛尔数的最大误差分别为6.1%，9.3%和14.4%。

3 结果与讨论

3.1 流动特性

各实验件在不同空气质量流量下的压降如图5所示，其中37%和55%孔隙率的压降特性引自文献[25]。可以看出，相同流量下，1#与2#实验件的压降基本相同，3#实验件的压降低于1#及2#的压降，1#、2#以及3#的压降均处于孔隙率37%和55%实验件的压降之间。

图5 实验件压降分布曲线Fig.5 Pressure drop curves for test pieces

图6为由压降及达西公式拟合而得的实验件渗透特性曲线。可以看出，在进口速度增大及孔隙率减小时，曲线趋于二次曲线，说明惯性效应增强。

图6 达西公式拟合渗透特性曲线Fig.6 Fitting Darcy equation curves for test pieces

表3给出了通过修正的达西公式以及实验件前后压降拟合求出的实验件渗透系数与惯性系数。可以看出，1#、2#实验件的渗透系数与惯性系数相差较小，说明气流从不同侧进入多孔介质时的流阻接近。而3#实验件的渗透系数比1#和2#的大，表现为孔隙率越大渗透系数越大，这与文献[25]的结论一致。这表明复合实验件的渗透性主要由平均孔隙率主导，孔隙率大的部分越多，渗透系数越大，该结论符合预期。从3 个实验件的惯性系数看，1#～3#实验件的相差不大。

表3 实验件渗透系数与惯性系数Table 3 Permeability and inertia coefficient of multiple-laminated sintered metal wire mesh

将文献[25]中的摩擦因子与雷诺数换算成与本文定义的一致后，各实验件摩擦因子随雷诺数的变化趋势如图7 所示。可看出，各实验件摩擦因子随雷诺数增大呈非线性减小，并逐渐趋于定值。同一雷诺数下，孔隙率越大摩擦因子越大。1#与2#实验件的摩擦因子曲线基本重合，3#实验件摩擦因子较1#与2#实验件的小，表明多种孔隙率的金属丝网再次组合烧结后，其摩擦因子由各组成部分共同决定。

图7 摩擦因子随雷诺数变化曲线Fig.7 Friction factors comparison of test pieces

3.2 换热特性

多孔介质孔隙率的变化会引起其内部重要参数的改变，包括内部表面积、有效导热率以及平均孔径等，从而引起流动和换热的改变。根据文献[7]和文献[8]，多孔介质的孔隙率是一个复合型参数。一方面，孔隙率增大会使渗透性增强，从而增强流体与多孔介质骨架的换热；另一方面，孔隙率增大又会导致有效导热率降低，使得体积换热系数变小从而减弱热耗散的能力。

图8为各实验件努赛尔数随雷诺数的变化。可以看出，实验件的Nu随Re的增大而增大，且增长趋势趋于平缓，低Re时1#～3#实验件的Nu相差不大。这与金属丝网良好的换热性能有关，在小流量下即使很少的冷却流体也能有效地从骨架带走热量。同一Re下，1#实验件的Nu比2#实验件的小，亦即当空气从大孔隙率一侧进入多孔介质时，实验件的换热能力更强。导致这一结果的原因可能是：①对于1#实验件，空气首先冷却孔隙率37%的部分，2#实验件则刚好相反，由于孔隙率越高Nu越大，对两部分复合的多孔介质来说，前半部分的热交换对整体的影响更大；②1#实验件前半部分的换热不如2#实验件的强，其沿程当地Nu的降低加剧了后半部分换热能力与2#实验件的差距。3#实验件的Nu比1#和2#实验件的均低，说明不同孔隙率的多孔介质复合时，将降低实验件整体的换热能力。

图8 不同实验件努赛尔数随雷诺数的变化Fig.8 Overall Nusselt number of different porosity combination

图9为不同雷诺数下1#与2#实验件的壁面温度分布。可以看出，大Re下多孔介质内部的温度分布更均匀。由于黏性影响，实验件上、下边缘的温度比中间部分的高，图中可清楚地观察到孔隙率不同的两部分的分界以及壁面温度区别。另外，2#实验件的温度分布较1#实验件的更均匀，这也更直观地体现了上文中同一Re下1#实验件的Nu低于2#实验件的现象。

图10 给出了不同雷诺数下2#实验件表面温度沿通道中心线0-0(其位置见图9 中Re=11.2)的变化。可以看出，金属丝网的温度沿流向逐渐升高，这与文献[9]、[11]中的结论一致。另外，Re=11.2时，X＜3 mm与X＞3 mm的温度变化明显不同，X＞3 mm的温度波动得更明显。这说明不同孔隙率的两部分换热有差别，这与图9中壁面温度的分布相吻合。

图9 实验件表面温度分布随雷诺数的变化Fig.9 Temperature distribution of specimens

图10 2#实验件沿中心线0-0的温度变化Fig.10 Temperature variation along center line 0-0

4 结论

采用实验方法对沿流向孔隙率发生变化的烧结斜纹密纹金属丝网进行了流动和换热研究，并与同种编织方式具有均匀孔隙率的金属丝网的流动和换热进行了比较，主要得到以下结论：

(1) 对于沿流向有两种孔隙率的双层实验件，空气从具有不同孔隙率的两侧流入时其压降特性相同，渗透系数、惯性系数以及摩擦因子也基本相同，其渗透特性主要由平均孔隙率主导，孔隙率大的部分越多渗透系数越大；3 个实验件的惯性系数相差不大。

(2) 各实验件的摩擦因子均随雷诺数增大呈非线性减小，且相比于均匀孔隙率的实验件，具有复合孔隙率的实验件摩擦因子差异较小。随着雷诺数进一步增大，摩擦因子逐渐趋于一常数；同一雷诺数下，三层实验件的摩擦因子较双层实验件的小。

(3) 对于双层实验件，当空气从孔隙率大的一侧注入时，其换热能力更强，壁面温度分布也更均匀；三层实验件换热能力较双层的差，不同孔隙率的多孔介质复合时，将降低实验件整体的换热能力。