北京理工大学研究团队：新构型泡沫金属换热器流动传热及环境适应性研究

文章来源：

Yifan Wang, Xiaoxia Sun, Tingwei Zhang, Chen Ding, Fuifang Kang, Shen Liang, Lili Shen, Xinglong Ma, Effect of altitude on heat transfer performance of full-scale metal foam heat exchangers produced by additive manufacturing, International Journal of Heat and Mass Transfer, 237(2025)126424.

Yifan Wang, Xiaoxia Sun, Linrui Li, Huifang Kang, Lili Shen, Ming Mao, Shen Liang. Vibration-induced heat transfer enhancement in additively manufactured Kelvin metal foam. Applied Thermal Engineering 274 (2025)126767.

Yifan Wang, Xinglong Ma, Zhiwei Ouyang, Shen Liang. Comprehensive analysis of forced convection heat transfer enhanced bymetal foam with pore density gradient structure. Solar Energy Materials & Solar Cells 285 (2025) 113549

·研究背景·

泡沫金属（Metal Foam）具有高比表面积、高孔隙率和相互交错的骨架结构，能够有效破坏流动边界层，使其成为强化对流换热的有效技术手段。然而，现有研究在泡沫金属结构的复杂性、复杂工况适应性等方面尚有如下不足：（1）泡沫金属的复杂结构带来传热强化的同时显著增加了流动阻力，泡沫金属减阻增效值得系统性研究。（2）泡沫金属在高原低气压条件下的流动传热特性尚无系统实验数据，其关键影响参数及其传热机理尚不明确。（3）振动环境对传热性能有潜在的影响，但现有研究主要集中于平直翅片的振动响应，针对泡沫金属在振动条件下的传热强化机理缺乏深入的实验和仿真研究。（4）关于泡沫金属强化换热，常使用单片泡沫金属或单一换热单元进行实验，少有泡沫金属换热器的整机实验。这些研究不足制约着新一代多孔介质紧凑型换热器的发展与应用。

为此，北京理工大学机械与车辆学院研究团队进行了系列研究并在

International Journal of Heat and Mass Transfer、Applied Thermal Engineering、Solar Energy Materials and Solar Cell

·图文导读·

基于混合孔密度结构的减阻增效研究

针对传统结构泡沫金属流动阻力过大的问题，研究团队提出了基于流动方向上的混合孔密度排布的策略。通过体积平均法及局部非热平衡模型，分析了不同孔密度分布方式及其方向性对压降与换热性能的综合影响，得到能够兼顾传热效率与流动阻力的梯度结构优化组合。

图1. 流动方向上建立混合孔密度结构实现减阻增效

20%低孔密度与80%高孔密度的组合可视为最佳组合结构，且空气流动按照孔密度由高向低方向的综合性能总是优于由低向高的方向。其中10 PPI&20 PPI的组合相较于单一10 PPI，20 PPI，综合性能分别提升55.4%、11.23%、20 PPI&30 PPI的组合相较于单一20 PPI平均综合性能提升70.2%。在实际应用中，如果使用10 PPI与20 PPI的搭配可选择20%低孔密度与80%孔密度的组合或40%低孔密度与60%高孔密度的组合。

基于SLM的Kelvin泡沫金属换热

高原换热特性研究

针对泡沫金属换热器在高原条件下的研究，该团队设计并使用激光选区增材制造技术制造了全尺寸样机，通过高原环境模拟舱进行了0m~4500m海拔的换热性能实验。同时使用仿真计算探究了影响泡沫金属换热性能的主要因素。

图2. 激光选区增材制造Kelvin泡沫金属换热器流程

实验结果表明海拔升高使得换热器性能降低47.7%，流动阻力降低40%，造成换热性能下降的主要因素为空气密度的降低。仿真结果表明空气在换热器内部流动时，动压力在纤维骨架前先增大，后显著降低并低于前端的滞止压力，在单胞内随主流流动，压力持续升高直至再次与纤维骨架相遇。

图3. Kelvin泡沫金属环境模拟舱高原环境试验及仿真

基于Kelvin泡沫金属的振动换热研究

针对振动工况下Kelvin泡沫金属换热器换热性能，通过搭建带有振动平台的风洞实验测试了全尺寸泡沫金属换热器在20 Hz~40 Hz、1mm~5mm振动条件的下流动传热性能的变化规律。通过构建孔隙尺度耦合振动条件的共轭传热仿真，明确振动对于变截面Kelvin泡沫金属强化换热的机理与细节。

常压下振动对于Kelvin泡沫金属传热强化的最大提升率为13.93%。当振动条件为20 hz-1 mm和40 hz-5 mm时，OHTC分别为1370.11 W/(m2·K)和1556.37 W/(m2·K)。方差分析显示，频率和振幅对Kelvin泡沫金属流动传热的影响非常显著且效果相似。振动引起的Kelvin泡沫金属强化换热的主要原因是：运动破坏了孔隙内部稳定的流场。在一个完整的振动周期内，当振动周期为T/4和T时，紧靠翅片下方的空气流速较大。在T/2和3T/4时，翅片正上方的空气流速较大。Kelvin泡沫金属的表面换热系数在振动周期内呈瞬态变化，其变化周期是运动周期的两倍，且与振动速度曲线呈的滞后角，该滞后角随着振幅的增大逐渐增大。

·作者简介·

马兴龙，教授，博导，先后就职于北京理工大学机械与车辆学院、南京师范大学环境学院。主要从事传热传质与太阳能综合利用技术研究，成果应用于太阳能中温蒸汽、跨季储热、光伏冷箱与低碳冷链运输等领域。发表含Nature子刊等高水平SCI论文50余篇；主持国家自然科学基金青年基金、面上基金项目，以及多项太阳能光伏、光热综合利用校企合作项目。

王一凡，2025年博士毕业于北京理工大学，主要从事强化传热，传热传质技术与应用，高功率密度系统热管理等研究。以第一作者在

Int.J.Heat and Mass Transfer、Applied Thermal Engineering、Solar Energy Materials and Solar Cell、J. Thermal Science

· 本期责任编辑 ·

梁深，2025年4月入选北京工业大学第四层次优秀人才，任机械与能源工程学院副教授（校聘教授），博导。2023年博士毕业于北京理工大学，2023年6月年至2025年9月于北京理工大学从事博士后研究工作，特立博士后。主要研究方向为太阳能综合利用，海水淡化，传热传质强化等。近五年，以第一或通讯作者发表SCI论文20余篇，EI论文三篇；主持国家自然科学基金青年基金项目、国家资助博士后研究人员计划B档项目；曾获北京市优秀毕业生、国家奖学金、北京理工大学优秀博士毕业论文、优秀博士后等荣誉奖励。

Clean Energy Science and Technology (CEST)是一份国际开放获取的同行评审期刊，出版频率为一年四期（季刊）。2023年7月在上海召开创刊编委会并正式创建，2023年9月创刊号上线。期刊由爱丁堡大学范先锋教授与北京化工大学杨卫民教授担任主编。本刊旨在以原创研究文章、综述文章以及评论等形式发表高质量的权威性和跨学科观点及成果，领域涵盖生物质能、太阳能、氢能、风电、清洁原子能，以及清洁能源的转换储存、材料装备及安全、系统优化、开发利用和清洁能源政策等多个板块。CEST的目标是创办清洁能源领域国际一流学术期刊，我们将始终贯彻高质量发展宗旨，坚守期刊发展目标。2024年12月，CEST正式确认被Scopus数据库收录。2025年我们诚邀全球专家学者积极投稿！

转载、合作、咨询欢迎后台留言

或联系编辑部邮箱

cest@usp-pl.com cncest@usp-pl.com

期刊网站

https://cae.usp-pl.com/index.php/cest

投稿系统

https://cae.usp-pl.com/index.php/cest/about/submissions