纳米多孔材料有效热导率数值研究.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123626
纳米多孔材料有效热导率数值研究
毕成1,唐桂华1资助项目:国家自然科学基金项目(51076125)
, 胡子君2,李俊宁2
(,热流科学与工程教育部重点实验室,能源与动力工程学院,西安,710049)
(,北京 100076)
Tel:[phone];Email: ******@.
摘要:通过数值方法对多种三维有序结构多孔材料在常温条件下的气相、固相导热过程进行耦合求解,获得了不同结构材料的有效热导率,并且所获得的有效热导率在材料密度低于170kg/m3时,与实验值符合较好。建立了多孔材料吸附水蒸气的耦合传热模型,研究了水蒸气的吸附量对二氧化硅气凝胶有效热导率的影响规律,结果表明:多孔材料含水率每增加1%,会使其有效热导率增加,其增幅约为材料固相热导率的2%。
关键词:气凝胶;有效热导率;有序结构多孔材料;气体吸附
0 前言
纳米多孔材料气凝胶具有极低的热导率,常温条件甚至低于空气的热导率,其最直接的应用就是作为超级隔热材料[1]。气凝胶的导热主要来自材料本身的固体颗粒、填充气体的导热以及辐射传热,而在计算气凝胶有效热导率时,常用方法是将固相导热、气相导热与辐射传热分别计算,然后相加得到有效热导率[2, 3]。此外,放置在空气中的气凝胶还会吸附水蒸气,从而破坏材料的隔热性能,但是由吸附带来的热导率目前缺乏相应的计算方法。考虑到多孔材料内部的气相、固相导热、辐射传热及由吸附水蒸气引发的传热是同时发生的,因此对多孔材料内部的多种传热方式进行耦合求解,以便能够更准确地预测多孔材料的有效热导率。
大多数气凝胶的固相颗粒随机凝聚成链状骨架,使其导热表现出各向同性,而三维有序结构多孔材料的几何尺寸在满足一定的条件时,其导热也会表现出各向同性。因此本文主要目的是:通过数值研究多种三维有序结构多孔材料的热导率,以获得能够替代实际多孔材料结构的理想有序结构,从而降低多孔材料热导率计算的复杂性;其次,结合理想有序结构与气体吸附理论,研究水蒸气的吸附量对多孔材料气凝胶热导率的影响规律。
1 三维有序结构多孔材料模型
三维有序结构多孔材料的热导率要表现出各向同性的必要条件是:其结构单元通过周期性堆积后能够填满整个空间。满足该条件的常见结构有:正三棱柱、立方体、正六棱柱、八面体、十二面体等。本文主要对前四种结构的热导率进行数值模拟研究,其结构如图1所示,其中深色实体部分为骨架中所填充的气体(为便于识别,本文仅给出一个单元所填充的气体),
图1(a)、(d)的结构单元均为中心对称,导热必然满足各向同性;图1(b)、(c)均为正棱柱堆积,由于平均孔径(特征长度)作为影响有效热导率的重要因素,因此为保证结构单元在各个方向具有相同的特征尺寸,应使得棱柱高度与棱柱底面特征长度相等。此外,鉴于实际多孔材料具有随机结构,本文将对简单的随机结构进行研究,该随机结构可由立方体结构生成,即:对规则立方体骨架的每个颗粒在同一时刻给定一个随机方向的位移,当颗粒完成多次地随机移动时,将形成如图1(e)的随机结构。
(a) 正方体堆积
(b) 正三棱柱堆积
(c) 正六棱柱堆积
(d) “八面体”堆积
(e) 随机结构
图1多孔材料的