中文摘要：

针对高热流密度散热冷却用平板式热管，基于纳米流体和超轻多孔金属材料吸液芯，研究不同结构特点多孔金属材料吸液芯与纳米流体的匹配对平板式热管内流体蒸发温度及强化传热性能的影响。首先以不同尺度、不同调制周期和不同结构特征的多孔金属材料为样品，采用CT断层扫描技术与图像处理技术，结合SEM和超景深方法获得多孔金属材料的三维结构数据，并设计构造孔隙呈周期栅格状的三维多孔金属材料分形体,掌握平板式热管内多孔金属材料的三维空间形貌信息。在此基础上，采用数值模拟方法模拟不同结构特点多孔金属材料的渗透率及纳米流体流动换热过程，深入分析孔隙率、分形维数、孔隙布局以及骨架导热等结构参数与纳米粒径尺寸、浓度及分散性之间的耦合作用及对流场与温度场协同情况的影响。进一步通过试验研究与数值模拟分析对比，揭示不同结构特点多孔金属材料吸液芯与纳米流体的匹配特点及对有效降低纳米流体蒸发温度和强化平板式热管传热特性的影响机理。

结论摘要：

本课题从试验研究与数值模拟两方面研究了不同结构泡沫铜吸液芯与不同纳米流体的匹配对平板式热管传热性能的影响及强化机理。数值模拟以热管在启动和工作状态腔内及吸液芯内自然对流及相变换热以及压差驱动下的流动与相变传热为背景，应用格子Boltzmann方法从介观层面，并辅之以宏观方法，围绕不同结构参数多孔介质、不同种类及浓度纳米流体的流动与传热展开了多孔介质内纳米流体传热特性与强化机理研究。揭示了部分填充多孔介质腔中纳米流体自然对流换热时多孔介质层厚度、达西数、瑞利数以及孔隙率、不同的纳米流体浓度等的影响规律。通过构造出的部分填充多孔介质结构模型，模拟得到了多孔结构内气泡的生成、长大、融合以及气泡与固体壁面碰撞反弹等现象。利用UDF编程定义纳米流体相变源项模拟了Al2O3水基纳米流体在水平管内沸腾过程，并与纯水进行了比较分析。对纳米流体的相变分离及纳米流体沸腾过程气泡成长和脱离行为进行了模拟，初步考察了纳米流体在气液两相分离以及不同过热度下相变换热过程的影响因素及规律。进一步对过热纳米流体管内流动沸腾过程中气泡增长、跃离等气泡动力学进行了研究。已有工作初步揭示了纳米流体在多孔介质及管内强化沸腾换热的机理及影响因素。试验研究在对不同纳米流体制备、性质测量及稳定性研究，扫描电镜、超景深电镜及CT断层扫描技术对不同泡沫金属材料进行孔结构和形貌分析以及对其孔径、孔隙率和毛细力测量的基础上，选择了多孔金属铜作为吸液芯，在寻找到泡沫铜贴壁良好工艺方法后对纳米流体与泡沫铜吸液芯参数匹配对热管传热性能影响进行了试验研究。运用正交实验法对纳米流体种类、质量分数、充液率及吸液芯结构及参数等进行了显著性实验，揭示了各因素对热管传热能力的影响顺序。单根热管试验表明以0.5%的Al2O3水基纳米流体为工质，充液率50%、孔密度200PPI的电化学沉积法制得泡沫铜吸液芯热管具有最佳综合传热性能。不同孔密度泡沫铜吸液芯热管性能试验及试验前后材料分析表明泡沫铜孔密度与毛细作用力一样对热管传热性能有重要影响，且即使拥有相同的孔隙率，泡沫铜制取方法不同带来的微观结构和表面特征不同及孔密度差异对纳米流体热管性能的影响很大且作用机理不同。最后对特定应用背景设计的平板热管进行了试验，初步考察了吸液芯结构、加热方式及放置角度等对平板热管传热性能的影响，并设计了一种平板热管用于搅拌摩擦焊温度场主动控制取得了预期效果。