泡沫多孔材料具有高孔隙率、大比表面积、流路结构复杂等特点,被广泛地运用于各种换热领域,以实现更高的传热和传质性能。本文以泡沫陶瓷多孔材料为研究对象,基于单吹法实验原理和十四面体单胞泡沫结构开展了内部流动和换热特性的实验及数值模拟研究。获得了泡沫陶瓷孔隙率、孔密度、样品厚度、流速和温差等参数对陶瓷内部流动及换热特性的影响规律。实验研究方面:基于单吹法原理设计并建立了多孔介质气体流动换热综合实验台。在对实验系统充分调试和标定基础上,系统开展了圆柱形泡沫陶瓷实验件的压降和换热特性的实验研究。压降实验在较低的雷诺数范围(Re:50-1500)开展,对应的表观流速范围为0.58 m/s-3.53 m/s;压降实验结果表明:泡沫陶瓷的孔隙结构(孔隙率和孔密度PPI)和表观流速共同决定了压降特性。通过对270组压降实验数据的拟合,建立了泡沫陶瓷多孔材料的压降关联式,关联式与实验值偏差为±25%。对流换热实验研究为瞬态换热研究,介质温度为常温(283K-323K)范围,气体与固体初始温差<50K。建立了基于单吹法计算泡沫陶瓷体积换热系数的实验数据分析程序,开展了泡沫陶瓷孔隙率、孔密度、表观流速和样品厚度对体积换热系数的敏感性研究;研究结果表明:相同流动和泡沫陶瓷结构条件下,样品厚度的增大会导致内部局部热平衡现象的区域增加,进而降低体积换热系数。通过对270组换热实验数据的拟合,引入厚度参数,建立了泡沫陶瓷多孔材料的体积换热关联式,关联式与实验数据的偏差为±20%。数值模拟研究方面:基于简化的十四面体单胞结构,建立了泡沫陶瓷流-固耦合换热CFD数值模型;以实验研究的工况范围为基础,开展了孔隙尺度下泡沫陶瓷内部的流场和温度场特性数值模拟研究。稳态数据模拟结果表明:孔隙结构增强了内部流体紊乱度,局部的速度场影响温度场,引起不同程度的局部热平衡和局部热非平衡现象。瞬态数据模拟结果表明:泡沫陶瓷内部的局部热平衡区域随着时间交替变化,始于泡沫材料的后端,并随时间逐渐减小到消失,最后出现在泡沫材料的前端;减小表观流速和增大孔隙率,会更早地导致局部热平衡的出现,厚度增加会导致局部热平衡出现范围增大。本文研究丰富了多孔介质内部对流换热的理论,研究成果可为以泡沫陶瓷材料为媒介热交换设备的设计提供指导,如:太阳能容积式接收器,紧凑型低温换热器,填充床反应器等。