世界能源需求以每年約1.3%速度增長，節(jié)能減排是國家重要發(fā)展策略之一，所以在能源應(yīng)用領(lǐng)域（熱轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)熱和熱量利用）的節(jié)能設(shè)備備受關(guān)注。

泡沫金屬是美國的科學(xué)家Sosnick于1948年提出的一種材料加工技術(shù)[1]，圖1所示為由金屬韌帶型骨架和孔隙單元相互連接的開放單元形成的一種孔穴，每個(gè)開放單元（孔穴）包括12~14個(gè)五邊形或六邊形面，材料以鋁、鋼、鎳、銅、陶瓷和金屬合金為主，既具有連續(xù)相金屬的優(yōu)良特性又具有離散相氣孔的特性。因此，金屬泡沫有以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)表征：孔徑是開孔的平均直徑，范圍為0.1~10 mm；骨架直徑是金屬骨架的平均直徑；孔隙密度是每英寸上孔的數(shù)目，與胞體尺寸、孔隙尺寸以及筋肋尺寸有關(guān)；孔隙率ε是通過樣品的質(zhì)量和體積測量而得到的孔隙體積分?jǐn)?shù)，范圍為80%~99%，可按孔穴是否通透分為開孔和閉孔兩類。由于流體流動(dòng)且換熱的特性，在能源領(lǐng)域應(yīng)用多為開孔型，其內(nèi)部有連續(xù)暢通的三維孔結(jié)構(gòu)，固體骨架之間存在有孔隙，流體可在孔隙內(nèi)流動(dòng)，孔隙率ε>80%、比表面積大(1000~5000 m2/m3)、導(dǎo)熱系數(shù)大、換熱性能好[2]，多用在熱交換器、電子冷卻、燃料電池[3]。在能源設(shè)施中應(yīng)用于內(nèi)嵌泡沫金屬的換熱器、太陽能集熱器、太陽能接收器、蓄熱器等。

1.   泡沫金屬熱力學(xué)特性

1.1   泡沫金屬的流動(dòng)阻力特性

泡沫金屬的阻力特性表現(xiàn)在金屬骨架的阻礙和流固摩擦引起的機(jī)械能損失。對于流體的阻力特性，結(jié)合Darcy定律[4]，阻力損失表現(xiàn)為黏性阻力和慣性阻力。進(jìn)一步修正Darcy模型，添加速度效應(yīng)項(xiàng)，獲得Darcy?Forchheimer模型。與土壤相比，金屬泡沫具有較大的滲透性，在Darcy定律基礎(chǔ)上Brinkman提出Darcy?Brinkman模型用于描述多孔介質(zhì)中的滲透?？紤]有效項(xiàng)，三個(gè)模型修正后得到Darcy?Brinkman?Forchheimer 模型，表1為金屬泡沫中的流體流動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算通用模型。

式中，?p為流經(jīng)多孔區(qū)域時(shí)流體的壓降，Pa；L為流體為流經(jīng)多孔區(qū)域的長度，m；u為多孔區(qū)域截面上平均流速，m/s；ux、uy、uz為u在x、y、z方向的速度分量，m/s；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；K為多孔材料的滲透率；ε為孔隙率；ρ為流動(dòng)工質(zhì)的密度，kg/m3。

1.2   泡沫金屬的傳熱特性

為表征多孔材料的傳熱性能，將其定義為有效導(dǎo)熱系數(shù)[5]。

式中，keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；kcod-sol為固體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；kcod-gas為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；kcov為對流換熱傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；krad為熱輻射傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

上式可見，包含固體導(dǎo)熱、氣體導(dǎo)熱和對流輻射換熱的綜合過程，各種傳熱模式相互耦合。

其中，輻射換熱經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，F為傳熱面積，m2；εeff為發(fā)射率；σ為斯提芬波爾赫茲常數(shù)5.67×10−8 W/(m2·k4)；ΔTm為輻射表面溫差，K；D為多層周期性立方體元胞泡沫金屬光譜等效衰減系數(shù)，取0.1~1.0。

固體和氣體導(dǎo)熱換熱模型分為2大類[6]：一類是將單元模型切割為多塊，使用熱阻的串并聯(lián)公式計(jì)算有效導(dǎo)熱系數(shù)；另一類是將多孔材料視作等效連續(xù)介質(zhì)。表2中5種基本理論邊界模型進(jìn)行有效導(dǎo)熱系數(shù)的分區(qū)，其中，兩種組元材料分別記為材料1和材料2，體積分?jǐn)?shù)分別為v1和v2導(dǎo)熱系數(shù)分別為k1和k2，這些理論模型可直接用于計(jì)算具備相應(yīng)孔隙結(jié)構(gòu)的多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)keff，也可檢驗(yàn)新方法及新模型所得計(jì)算結(jié)果是否合理，對研究多孔材料的傳熱性能具有重要價(jià)值。

2.   內(nèi)嵌泡沫金屬換熱器

結(jié)合關(guān)鍵特性參數(shù)（孔隙率、孔形和分布特性等）和構(gòu)效關(guān)系對流阻阻力影響規(guī)律研究，添加流動(dòng)傳熱特性設(shè)計(jì)得到傳熱結(jié)構(gòu)特性和構(gòu)效關(guān)系[7]。

（1）當(dāng)孔隙率相近的情況下，泡沫金屬的傳熱系數(shù)要大于板翅式結(jié)構(gòu)，但同時(shí)其流動(dòng)阻力也更大些；

（2）在需要相同的泵功率條件下，泡沫金屬換熱器的熱阻比幾種常見的商用換熱器的熱阻低2~3倍；

（3）在振蕩流下的泡沫金屬換熱器比穩(wěn)定流下具有更高的傳熱效率；

（4）填充泡沫金屬的管子的傳熱系數(shù)是普通管的3倍；

（5）在板翅式換熱器的翅片中間加入泡沫金屬，制成新型填充泡沫金屬的板翅式換熱器，換熱性能是傳統(tǒng)板翅式換熱器的1倍多，是普通泡沫金屬換熱器的2倍；

（6）推斷泡沫金屬固體和空氣之間的溫差證明泡沫金屬換熱器內(nèi)存在非局部熱力平衡現(xiàn)象，且隨著孔隙率和孔密度的增加會(huì)加劇換熱器內(nèi)非局部熱平衡的現(xiàn)象，溫差會(huì)隨著雷諾數(shù)的減小而增加。

在暖通領(lǐng)域，制冷機(jī)組應(yīng)用管殼式換熱器（圖2），從能源利用率方面考慮通過在內(nèi)部的管程和殼程填充泡沫金屬，一方面利于強(qiáng)烈的氣流通過，另一方面金屬壁產(chǎn)生局部渦流與紊流，從而使散熱器的熱阻降低，提高散熱效率。

綜上所述，開孔泡沫金屬應(yīng)用在換熱器中，其強(qiáng)化傳熱效果十分明顯，但是同時(shí)壓力損失也很大。在實(shí)際的換熱器設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮換熱器的傳熱特性，還要考慮其阻力特性，同時(shí)需要選擇合適的材料并在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

利用二維數(shù)值模擬的方法來研究填充開孔泡沫金屬的圓管中完全發(fā)展的強(qiáng)制對流傳熱，在泡沫金屬區(qū)域，用Brinkman流動(dòng)模型來描述流體輸送，采用局部非熱平衡模型來表示流體?能量交換。在泡沫金屬?流體界面處，提出了溫度的界面耦合條件并用于推導(dǎo)出解析解，導(dǎo)出速度和溫度曲線，獲得摩擦系數(shù)和努塞爾數(shù)Nu的顯式表達(dá)式。通過利用改變不同參數(shù)來研究特征參數(shù)對泡沫金屬傳熱特性和阻力特性的影響趨勢，為泡沫金屬傳熱特性的模擬研究提供了一個(gè)新方法。

3.   泡沫金屬應(yīng)用于太陽能裝置

平板太陽能集熱器（如圖3所示）作為一種典型的非聚光太陽能集熱器在工業(yè)領(lǐng)域具有商業(yè)用途，金屬泡沫作為熱增強(qiáng)劑被研究應(yīng)用于太陽能集熱管解決其通量密度不均勻以及輻射吸收板和太陽能之間的對流流體效率低的問題。Odabaee和Hooman[8]研究了輻射和泡沫形狀參數(shù)對完全填充的薄平板太陽能集熱器熱性能的影響。分析結(jié)果表明：輻射比泡沫形狀參數(shù)更顯著，并且在固定時(shí)壓降增加可忽略不計(jì)Nu相對提高了82%。Liu等[9]通過比較鰭片分析方法，得到結(jié)論：當(dāng)孔隙度增加到0.95時(shí)，熱量是平衡的，可以忽略非平衡效應(yīng)；并提出Gibson?Ashby模型是可有效地預(yù)測熱阻。

為了獲得更高效率的功率循環(huán)，中央接收器采用幾何設(shè)計(jì)以改善熱量傳遞到工作流體的速率并最大限度地減少熱量損失。圖3（a）和圖3（b）太陽能集熱器通常采用多孔結(jié)構(gòu)，通過傳入的集中太陽輻射的傳播溫度可達(dá)到1500 °C。 James和Cristina[10]設(shè)計(jì)并測試了一種陶瓷泡沫吸收劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輻射熱損失大，泡沫溫度平均可達(dá)到1350 °C，流體溫度為730 °C。Bernhard等[11]設(shè)計(jì)一個(gè)多孔陶瓷吸收體的太陽能收集器，采用的材料為碳化硅，其孔隙率為78.5%，孔隙密度為每英寸30，在800 °C時(shí)加熱效率達(dá)到60%。Zaversky等[12]進(jìn)行研究分析表明，泡沫金屬塊厚度對傳熱性能的影響較弱，且厚度不應(yīng)大于30 mm?？梢缘玫浇Y(jié)論：內(nèi)填泡沫金屬塊厚度不大于30 mm時(shí)能夠增強(qiáng)集熱器的傳熱性能.

4.   泡沫金屬應(yīng)用于蓄熱裝置

熱能、太陽能和風(fēng)能優(yōu)點(diǎn)是可再生能源，弊端是其具有非連續(xù)性，例如：聚光太陽能發(fā)電廠和城市供熱，媒介介質(zhì)具有熱容量低和體積大的特點(diǎn)，當(dāng)使用熱容量較大、導(dǎo)熱率低的泡沫金屬材料與之進(jìn)行能量交換，會(huì)限制了系統(tǒng)的蓄熱效率和充電/放電時(shí)間，一般考慮將能量儲(chǔ)存在蓄熱、儲(chǔ)能裝置中，使用時(shí)被釋放。利用泡沫金屬是優(yōu)良的導(dǎo)熱材料，同時(shí)借助相變材料的調(diào)溫、儲(chǔ)熱量大、能源轉(zhuǎn)化率高的特點(diǎn)制作成復(fù)合型泡沫金屬相變儲(chǔ)能裝置，得以利用相變材料的儲(chǔ)能性，又可以利用泡沫金屬的高導(dǎo)熱性，兩種材料優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)。蓄熱（熱量）分為顯熱和潛熱，顯熱由泡沫金屬主導(dǎo)，潛熱是判斷相變材料蓄熱和放熱的主要參數(shù)，表3為泡沫金屬在蓄熱領(lǐng)域與相變材料疊加使用時(shí)研究匯總，表中為具有突出研究成果，證明通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或數(shù)值計(jì)算方法對泡沫金屬（鋁、銅、鎳、不銹鋼）內(nèi)填充相變材料（石蠟、二十烷、硝酸鈉、肉豆蔻醇、水等）進(jìn)行蓄熱特性研究，通過結(jié)果如：導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱系數(shù)、傳熱速率、溫度、壓降而證明蓄熱性能是提升的。

5.   結(jié)論

根據(jù)泡沫金屬結(jié)構(gòu)特征及物理特點(diǎn)，調(diào)研泡沫金屬在暖通領(lǐng)域功能化應(yīng)用，分別從傳熱、集熱、蓄熱3方面論述其主要應(yīng)用及特性研究，主要調(diào)查結(jié)果如下：

（1）嵌入金屬泡沫的熱交換器是一種高效緊湊型換熱器，能夠使對流換熱系數(shù)增加3~9倍；不同材料（銅、鋁、鎳）可明顯提高強(qiáng)化換熱的能力，不同材料可使換熱系數(shù)不同；泡沫金屬中的傳熱理論中孔隙率、孔密度和滲透率孔隙尺度是決定傳熱有效的主要參數(shù)；參數(shù)中傳熱率、壓降、流固耦合的傳熱系數(shù)的是需要確定的主要參數(shù)，是換熱器的設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)參數(shù)。

（2）金屬泡沫被用于太陽能集熱設(shè)施，由于泡沫金屬在這種高溫度情況下使用，熱輻射效應(yīng)明顯，占據(jù)了主導(dǎo)地位。傳熱過程中高溫下導(dǎo)熱與輻射傳熱的耦合效應(yīng)，以及泡沫金屬結(jié)構(gòu)的特殊性，使得影響泡沫金屬有效導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱方式的因素多而復(fù)雜。常用的有直接吸收式太陽能集熱器和體積式太陽能集熱器，其中，吸收式集熱器是金屬泡沫對太陽能吸收的影響是主導(dǎo)，金屬之間、泡沫和流體的熱傳遞間接影響太陽能接收器的性能；體積式集熱器是利用空氣流動(dòng)和太陽光能流進(jìn)裝置，幾何形狀和泡沫金屬的材質(zhì)配置占有主要因素。

（3）泡沫金屬由于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和高效導(dǎo)熱性被應(yīng)用于熱能儲(chǔ)存裝置中，利用其高導(dǎo)熱系數(shù)、高孔隙率和高比表面積的特點(diǎn)，與相變材料蓄熱量大、結(jié)構(gòu)簡單和無需消耗額外能量等特點(diǎn)，優(yōu)勢疊加構(gòu)成復(fù)合相變材料，增強(qiáng)石蠟的熱傳遞，強(qiáng)化相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，研究中的改進(jìn)泡沫金屬在相變材料中布置方式、改變孔隙率和孔隙尺度、選擇材料等對復(fù)合系統(tǒng)的相變響應(yīng)時(shí)間、溫度分布、蓄熱時(shí)間和傳熱量有重要影響，為設(shè)備后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)。

文章來源——金屬世界