复合材料点阵夹芯结构的换热机制

论文摘要

具有周期性排列特征的复合夹芯结构材料作为一类新型轻质高强结构材料,在航天航空领域具有广阔的应用前景。该类材料与结构,除了具有优异的力学性能外,同时兼有实现散热、降噪、吸能、减振等多功能与一体的潜在优势,是实现多功能一体化的首选结构。由于点阵夹芯结构内存在连续的通道,辅助的外加流体可以在材料内部流动,同时可以传递热量,其自身就是一个优良的换热器;但由于碳纤维复合材料自身性能受温度影响很大,故可以利用内部通道通过对流换热,提高结构的换热性能,降低结构整体温度,以满足结构温度控制需求,实现热力一体化,提高结构运行的可靠性。本文采用流体力学软件FLUENT模拟了受一恒定温度载荷的点阵夹芯轻质复合结构在辅助流体强制对流作用下的热行为和热传输特性。模拟结果证实,虽然复合点阵夹芯结构自身的换热性能远不如金属点阵夹芯结构,但在引入流场对流作用下,其换热性能的提高程度比金属结构显著。对流体的压力场、速度场、温度场等场分布规律及特征进行了分析,细致的阐述了点阵夹芯结构本身的构型对胞元内近壁流动和热传输类型的影响。使用雷诺数Re、努塞尔数Nu、压降损失系数Kcell三个以胞元特征长度为度量的无量纲参数对结构的换热性能进行了表征评价;并引入温度最小渗透率、最大渗透率和水平渗透率的概念,来更加直观的表征结构的换热性能。此外,还对胞元结构的角度ω与各性能指标、表征参数之间的关系进行了探讨和总结,并对四面体、金字塔胞元夹芯复合结构的换热性能进行了对比分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 具有周期性胞元特征的夹芯结构材料
• 1.3 国内外的研究现状及分析
• 1.3.1 传热特性方面的研究
• 1.3.2 散热结构优化设计方面的研究
• 1.4 本论文的主要工作
• 第2章 点阵夹芯结构传热分析
• 2.1 引言
• 2.2 点阵夹芯结构的热量传输
• 2.2.1 热量传输的基本形式
• 2.2.2 点阵夹芯结构尺寸与热传输形式之间的关系分析
• 2.2.3 热阻与总传热系数
• 2.2.4 导热系数
• 2.2.5 对流换热系数
• 2.3 本章小结
• 第3章 问题的描述与分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.3 边界条件及其设定
• 3.3.1 流动进、出口边界条件的设定
• 3.3.2 固壁边界条件的设定
• 3.4 流体物理模型的设定
• 3.4.1 湍流模型的选取
• 3.4.2 湍流流动的近壁处理
• 3.5 基本物理属性的设定
• 3.5.1 Boussinesq模型
• 3.5.2 热传导系数的设定
• 3.6 求解设定
• 3.6.1 解算器的选择
• 3.6.2 亚松弛因子的设定
• 3.7 本章小结
• 第4章 点阵夹芯结构热性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 冷却介质对点阵夹芯结构换热性能影响
• 4.3 复合材料点阵夹芯结构在冷却介质下换热场
• 4.3.1 压力场分析
• 4.3.2 流速场分析
• 4.3.3 温度场分析
• 4.4 换热性能的评价
• 4.5 胞元角度ω对复合材料点阵夹芯结构换热性能的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢