石墨泡沫材料内流动与传热性能的数值分析

论文摘要

石墨泡沫是一种具有低密度、高导热、耐高温、耐腐蚀等优点的新型散热材料,与常规散热材料相比,更能适应航空与航天、军事工业、通讯及信息产业等领域内科技发展的要求。因此,对其制备和性能的研究逐渐成为一个热点课题。当前,国内外对石墨泡沫材料的研究大都在探讨石墨泡沫材料的制备工艺,虽然国内外早已采用试验和理论相结合的方法对多孔材料内的流动性能和传热性能进行了研究,得到了一些描述相关性能的公式,但对石墨泡沫这种几何结构特殊的蜂窝状多孔材料的性能研究却较少,且已有的结论并不完全适用于石墨泡沫。因此,本文将通过数值分析的方法对石墨泡沫内的流动和传热性能进行较为深入的研究,结合现有的理论和公式,推导出适用于描述石墨泡沫材料流动性能和热性能的结论和公式。本文利用AutoCAD宏,通过编写VBA程序方便快捷地构建出大批石墨泡沫材料的几何模型以及用于各种性能分析的模型,包括流域模型、骨架导热模型和泡沫导热模型。利用ANSYS软件及其APDL程序,对石墨泡沫材料性能进行研究。流动性能方面,通过计算得到不同几何模型在不同边界条件下的速度和压力场,并结合1856年法国物理学家Darcy提出的达西定律以及后续相关学者的研究,探讨材料内流动阻力随流速变化的关系,得到石墨泡沫材料的流动性能参数:渗透率及Forchheimer系数的值或表达式。对流换热方面,通过分析NuW随PeW变化的关系发现,为使石墨泡沫材料的对流换热更经济,应使渗流速率满足PeW<20。通过对石墨泡沫材料容积导热性能的分析,验证了材料固体的高导热性能和对流换热性能是其具有高容积导热系数的重要因素。本文依据石墨泡沫材料的散热应用实例,首先通过计算得到不同模型在不同边界条件下的温度场,探讨材料容积导热系数λe与石墨固体骨架导热系数λs和孔隙率ε的关系,并结合Hadley半经验公式,推导出仅靠多孔材料固体和多孔内流体导热时λe的表达式。最后,结合对流换热分析结论,对考虑对流换热情况下材料λe随流体流速、孔隙率等参数的变化情况进行简要的探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石墨泡沫材料简介
• 1.3 石墨泡沫研究研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.4 课题研究的内容
• 1.5 课题研究的意义
• 2 石墨泡沫几何模型建立
• 2.1 几何结构分析
• 2.2 AUTOCAD 软件宏（VBA）简介
• 2.3 几何模型建立
• 2.3.1 面心模型
• 2.3.2 体心模型
• 2.3.3 随机分布模型
• 2.4 本章小结
• 3 石墨泡沫内流动性能分析
• 3.1 流动理论简介
• 3.2 ANSYS 参数化设计语言（APDL）简介
• 3.3 模型建立
• 3.3.1 流域模型
• 3.3.2 基于模型的相关参数
• 3.4 控制方程与边界条件
• 3.4.1 控制方程
• 3.4.2 流体物性参数和边界条件
• 3.5 计算及分析
• 3.5.1 f ’-Re’曲线
• 3.5.2 达西流与惯性流临界Re
• 3.5.3 渗透率k 和Forchheimer 系数F
• 3.6 流域模型单元个数确定
• 3.7 本章小结
• 4 石墨泡沫内对流换热性能的分析
• 4.1 对流模型建立
• 4.2 对流计算控制方程及边界条件
• 4.3 PEW 数
• 4.4 NUW 数
• 4.5 对流计算及分析
• 4.6 本章小结
• 5 石墨泡沫容积导热性能的分析
• E'>5.1 考虑孔内流体导热时石墨泡沫的λ_E
• 5.1.1 多孔材料导热性能理论简介
• 5.1.2 导热模型建立
• 5.1.3 控制方程和边界条件
• 5.1.4 温度场和热流密度场
• c与λ_s和ε的关系'>5.1.5 λ_c与λ_s和ε的关系
• e 计算公式推导'>5.1.6 石墨泡沫λ_e计算公式推导
• 5.2 考虑孔内流体与孔壁的强制对流换热时石墨泡沫的λE
• 5.2.1 导热模型建立
• 5.2.2 导热控制方程及边界条件
• 5.2.3 导热计算及分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录