本文關(guān)鍵詞：多孔材料傳熱特性分析與散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《大連理工大學(xué)》 2008年

多孔材料傳熱特性分析與散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張永存  

【摘要】： 防熱是航空航天、能源動(dòng)力、電氣電子等工程中普遍關(guān)注的問(wèn)題�？仗祜w行器熱障問(wèn)題、高溫環(huán)境下對(duì)溫度敏感的儀器設(shè)備的熱保護(hù)問(wèn)題、電子器件散熱問(wèn)題等均需要有效隔熱和積極散熱措施。多孔材料(包括最新研發(fā)的點(diǎn)陣材料)同時(shí)具備輕質(zhì)、多功能和可設(shè)計(jì)等特點(diǎn),在滿(mǎn)足其他功能的同時(shí)具有良好的防熱性能。閉孔多孔材料具有低的傳熱系數(shù)可用于隔熱;開(kāi)孔多孔材料由于具有流動(dòng)通道,可用于主動(dòng)散熱;可設(shè)計(jì)特點(diǎn)為輕質(zhì)防熱等多功能設(shè)計(jì)提供了保證。多孔材料隔熱、強(qiáng)化傳熱等性能分析與研究以及以其為基礎(chǔ)的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 在這一需求的牽動(dòng)下,本文主要研究了考慮輻射和對(duì)流等影響的多孔材料熱傳輸性能的表征方法,建立了考慮輻射影響的閉孔多孔材料熱性能分析的多尺度方法、單向開(kāi)孔金屬材料主動(dòng)散熱性能分析的傳遞矩陣方法和快速數(shù)值方法;研究了最優(yōu)散熱結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)理論,建立了基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和仿生的最優(yōu)散熱構(gòu)型設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)物理模型和求解方法。主要內(nèi)容包括: (1)考慮輻射的多孔材料傳熱性能表征的多尺度方法。以閉孔類(lèi)多孔材料(又稱(chēng)空心材料)高溫隔熱應(yīng)用為背景,建立了考慮輻射的傳熱性能表征的多尺度分析方法。該方法首先利用具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)理論的均勻化方法計(jì)算具有周期性分布的空心材料的傳熱性能,得到了純導(dǎo)熱時(shí)的等效傳熱系數(shù)和空心材料較為精確的溫度場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算了空心材料等效輻射傳熱系數(shù)。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了方法的有效性,并討論了孔穴形狀與尺寸對(duì)空心材料換熱性能的影響。 (2)金屬蜂窩材料主動(dòng)散熱性能表征的新方法:傳遞矩陣法和快速數(shù)值算法。開(kāi)孔類(lèi)超輕多孔金屬材料除具有良好的力學(xué)性能外,本身還是優(yōu)良的傳熱介質(zhì)。以金屬蜂窩材料強(qiáng)迫對(duì)流換熱應(yīng)用為背景,提出了兩種分析方法:傳遞矩陣方法和快速數(shù)值算法。傳遞矩陣方法以金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,避免了現(xiàn)有理論模型中的一些近似,是一個(gè)更精確的理論模型。與現(xiàn)有的理論模型相比,所預(yù)測(cè)的結(jié)果處于皺壁模型和等效介質(zhì)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果之間,且更趨近于數(shù)值仿真的結(jié)果�？焖贁�(shù)值算法是在實(shí)際工程應(yīng)用中會(huì)屬蜂窩填充的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的換熱性能分析以及多功能優(yōu)化設(shè)計(jì)需求的推動(dòng)下,以及有限元法和傳遞矩陣方法的雙重啟發(fā)下提出來(lái)的。該方法繼承了傳遞矩陣方法的計(jì)算精度,同時(shí)繼承了有限元方法的廣泛適用性。與有限體積法相比,計(jì)算效率提高3到4個(gè)數(shù)量級(jí)。針對(duì)兩個(gè)具體算例,通過(guò)與有限體積方法計(jì)算結(jié)果比較,驗(yàn)證了方法的有效性。 (3)基于拓?fù)鋬?yōu)化的導(dǎo)熱通道的幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)方法。針對(duì)電子設(shè)備中基本科學(xué)問(wèn)題,體-點(diǎn)導(dǎo)熱問(wèn)題,提出了基于拓?fù)鋬?yōu)化的導(dǎo)熱通道的幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)方法。利用該方法所獲得的設(shè)計(jì)結(jié)果在性能上遠(yuǎn)大于仿生優(yōu)化所獲得的結(jié)果,且能突破現(xiàn)有構(gòu)造方法的性能設(shè)計(jì)極限。另外,設(shè)計(jì)結(jié)果與自然界中自然樹(shù)的結(jié)構(gòu)相似,比利用構(gòu)造方法所獲得的結(jié)果在結(jié)構(gòu)上更趨近于自然樹(shù)。 (4)最優(yōu)傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)許多實(shí)際電子元器件不能超過(guò)額定最高溫度值這一要求,從理論角度探討了實(shí)現(xiàn)最高溫度最低的優(yōu)化模型的建立。利用一個(gè)平板導(dǎo)熱優(yōu)化問(wèn)題,首先評(píng)估了以熱量傳勢(shì)容耗散(又稱(chēng)散熱弱度)為優(yōu)化目標(biāo)的現(xiàn)有優(yōu)化模型來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的的近似程度,提出了一個(gè)基于幾何平均溫度的散熱性能描述指標(biāo),并以此為目標(biāo)函數(shù),建立了一個(gè)新的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。通過(guò)與現(xiàn)有優(yōu)化模型和理論最優(yōu)設(shè)計(jì)的比較,說(shuō)明幾何平均溫度是描述散熱性能的良好指標(biāo),所建立的優(yōu)化模型能夠有效獲得散熱結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。 (5)基于仿生思想的樹(shù)狀多級(jí)通道對(duì)流散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從實(shí)際散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā),改進(jìn)了基于仿生思想獲得的樹(shù)枝狀分形通道對(duì)流冷卻散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方法能夠滿(mǎn)足任意長(zhǎng)寬比的生熱表面的散熱要求,同時(shí)提出了一種新的分析方法。研究表明,在各種條件下,最優(yōu)設(shè)計(jì)的分形層次均為7,生熱表面一定的條件下,最優(yōu)的長(zhǎng)寬比為1.87。這些研究結(jié)果能為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供非常有價(jià)值的參考。 本文工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(10332010,90205029,10721062)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究(973)計(jì)劃(2006CB601205)和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-04-0272)的資助。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.4
【目錄】：

摘要4-6

Abstract6-12

1 緒論12-34

1.1 多孔材料傳熱特性研究進(jìn)展12-22

1.1.1 多孔材料簡(jiǎn)介13-15

1.1.2 多孔材料傳熱特性15-19

1.1.3 多孔材料傳熱性能表征及分析方法19-22

1.2 散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)22-32

1.2.1 研究背景及意義22-24

1.2.2 幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)理論簡(jiǎn)介24-26

1.2.3 樹(shù)枝狀散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展26-32

1.3 本文的研究?jī)?nèi)容32-34

2 考慮輻射的多孔材料傳熱性能的多尺度分析方法34-50

2.1 引言34-35

2.2 等效熱傳導(dǎo)系數(shù)35-38

2.3 基于均勻化方法的純導(dǎo)熱等效熱傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算38-39

2.4 考慮輻射的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算39-41

2.5 計(jì)算結(jié)果和討論41-49

2.5.1 與實(shí)驗(yàn)值和已有計(jì)算結(jié)果的比較42-44

2.5.2 孔穴形狀與分布的影響44-46

2.5.3 輻射傳熱與孔徑的關(guān)系46

2.5.4 輻射傳熱與孔隙率的關(guān)系46-49

2.6 結(jié)論49-50

3 表征金屬蜂窩材料換熱性能的新方法50-68

3.1 引言50-51

3.2 散熱結(jié)構(gòu)模型描述51

3.3 蜂窩材料相關(guān)參數(shù)介紹51-55

3.3.1 蜂窩材料相關(guān)幾何參數(shù)51-53

3.3.2 局部對(duì)流換熱系數(shù)53

3.3.3 壓力降53-54

3.3.4 等效熱傳導(dǎo)系數(shù)54-55

3.4 現(xiàn)有理論模型求解策略55-58

3.5 傳遞矩陣方法58-63

3.6 方法有效性驗(yàn)證63-67

3.7 其他形狀蜂窩材料的傳遞矩陣67

3.8 小結(jié)67-68

4 金屬蜂窩材料換熱性能分析快速數(shù)值算法68-83

4.1 引言68-70

4.2 散熱結(jié)構(gòu)模型描述70

4.3 理論推導(dǎo)70-76

4.5 數(shù)值仿真76-78

4.6 有效性驗(yàn)證78-82

4.6.1 規(guī)則六邊形蜂窩為芯層的夾層平板換熱器79-80

4.6.2 規(guī)則四邊形蜂窩填充的空心方形換熱器80-81

4.6.3 算法有效性及高效性分析81-82

4.7 小結(jié)82-83

5 基于拓?fù)鋬?yōu)化的導(dǎo)熱通道優(yōu)化設(shè)計(jì)83-100

5.1 引言83-84

5.2 體-點(diǎn)導(dǎo)熱問(wèn)題的描述84

5.3 體-點(diǎn)導(dǎo)熱問(wèn)題的優(yōu)化模型84-86

5.4 體-點(diǎn)導(dǎo)熱問(wèn)題的拓?fù)鋬?yōu)化求解方法86-89

5.4.1 SIMP材料差值模型86-88

5.4.2 敏度分析88

5.4.3 棋盤(pán)效應(yīng)88-89

5.4.4 優(yōu)化計(jì)算流程89

5.5 計(jì)算結(jié)果與討論89-99

5.5.1 均勻內(nèi)熱源區(qū)域的高導(dǎo)熱通道的設(shè)計(jì)90-96

5.5.2 非均勻內(nèi)熱源區(qū)域的高導(dǎo)熱通道的設(shè)計(jì)96-97

5.5.3 不同設(shè)計(jì)方法的比較分析97-99

5.6.結(jié)論99-100

6 最優(yōu)傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型100-110

6.1 引言100-101

6.2 導(dǎo)熱平板散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)101-105

6.3 基于幾何平均溫度為散熱性能描述指標(biāo)的優(yōu)化模型105-109

6.4.小結(jié)109-110

7 樹(shù)枝狀分形網(wǎng)絡(luò)通道散熱器換熱性能分析110-124

7.1 引言110

7.2 樹(shù)狀分形網(wǎng)絡(luò)通道散熱器設(shè)計(jì)策略110-114

7.3 改進(jìn)的樹(shù)狀分形網(wǎng)絡(luò)通道散熱器設(shè)計(jì)策略114-115

7.4 樹(shù)狀分形網(wǎng)絡(luò)通道散熱器的傳熱與壓力降115-122

7.5 芯片長(zhǎng)寬比的影響122-123

7.6 小結(jié)123-124

8 結(jié)論與展望124-127

8.1 結(jié)論124-125

8.2 展望125-127

創(chuàng)新點(diǎn)摘要127-128

參考文獻(xiàn)128-137

攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況137-139

致謝139-140

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9 任清華;流體載熱遠(yuǎn)紅外氣相輻射加熱特性的研究[D];天津大學(xué);2008年

10 王永娟;U玻芯材PET空氣間隙結(jié)構(gòu)的保溫性能的研究[D];青島理工大學(xué);2011年

  本文關(guān)鍵詞：多孔材料傳熱特性分析與散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：172620