發(fā)布時(shí)間：2017-09-28 11:28

  本文關(guān)鍵詞：基于格子玻爾茲曼方法的纖維材料耦合傳熱研究

  更多相關(guān)文章： 碳纖維 編織結(jié)構(gòu) 格子玻爾茲曼方法 各向異性導(dǎo)熱 熱輻射

【摘要】：碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱學(xué)和力學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于航天器熱防護(hù)領(lǐng)域。高溫條件下,其內(nèi)部不斷進(jìn)行導(dǎo)熱換熱和輻射換熱過程。格子Boltzmann方法具有易于實(shí)現(xiàn)的邊界條件、編碼方法簡單和具有完全并行性等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于介質(zhì)換熱過程的數(shù)值模擬中。本文以三維四步編織法成型的3D碳纖維預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)、斜角聯(lián)鎖編織法成型的2.5D碳纖維預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)以及平紋碳布疊層法成型的2D碳纖維預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)這三種典型編織結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料為研究對象,基于格子Boltzmann方法理論,分別對其導(dǎo)熱、輻射以及輻射—導(dǎo)熱耦合換熱過程進(jìn)行了模擬,主要研究內(nèi)容包括:(1)針對碳纖維復(fù)合材料不同編織結(jié)構(gòu),基于格子Boltzmann方法,建立了用于熱傳導(dǎo)的聲子輸運(yùn)模型和用于熱輻射的光子輻射傳輸模型。用Fortran語言對導(dǎo)熱、輻射以及輻射—導(dǎo)熱耦合換熱過程進(jìn)行編程,通過與公開文獻(xiàn)對比驗(yàn)證了程序的可靠性及準(zhǔn)確性;(2)分析了碳纖維復(fù)合材料編織結(jié)構(gòu)對其各向異性導(dǎo)熱性能的影響。針對三種典型的編織結(jié)構(gòu),計(jì)算溫度由773K升高至1773K時(shí),不同厚度條件下材料的各向異性導(dǎo)熱性能,并分析溫度、編織結(jié)構(gòu)、幾何尺寸對其導(dǎo)熱性能的影響;(3)只考慮輻射熱流時(shí),在大尺度條件下計(jì)算三種結(jié)構(gòu)的當(dāng)量導(dǎo)熱性能,分析了溫度、編織結(jié)構(gòu)、幾何尺寸對其輻射熱流和當(dāng)量導(dǎo)熱性能的影響;(4)開展了對碳纖維復(fù)合材料輻射—導(dǎo)熱耦合換熱的研究。計(jì)算三種編織結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料的當(dāng)量熱導(dǎo)率和當(dāng)量熱擴(kuò)散率,將純導(dǎo)熱和耦合換熱所計(jì)算的相應(yīng)傳熱性能參數(shù)進(jìn)行對比,分析輻射熱流的加入對不同編織結(jié)構(gòu)材料換熱性能的影響。經(jīng)模擬對比發(fā)現(xiàn),編織結(jié)構(gòu)、溫度、幾何尺寸均會(huì)影響碳纖維復(fù)合材料的傳熱性能。在低溫時(shí),純導(dǎo)熱和輻射—導(dǎo)熱耦合換熱條件下的當(dāng)量傳熱性能差別不大,而隨著溫度的升高,傳熱性能參數(shù)的差值逐漸增大,這為碳纖維復(fù)合材料的工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考。
【關(guān)鍵詞】：碳纖維 編織結(jié)構(gòu) 格子玻爾茲曼方法 各向異性導(dǎo)熱 熱輻射
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB332
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 緒論8-16
• 1.1 課題背景和意義8-9
• 1.2 碳纖維復(fù)合材料傳熱性能研究現(xiàn)狀9-11
• 1.3 格子Boltzmann方法在傳熱方面的研究現(xiàn)狀11-14
• 1.4 主要研究內(nèi)容14-16
• 第2章 格子Boltzmann方法及程序驗(yàn)證16-37
• 2.1 格子Boltzmann方程16-23
• 2.1.1 格子Boltzmann傳遞方程16-18
• 2.1.2 BGKW近似18
• 2.1.3 聲子熱輸運(yùn)的格子Boltzmann方程18-20
• 2.1.4 光子輻射傳輸?shù)母褡覤oltzmann方程20-21
• 2.1.5 輻射—導(dǎo)熱耦合換熱的格子Boltzmann方程21-23
• 2.2 格子Boltzmann方法的離散速度模型23-27
• 2.2.1 一維模型23-24
• 2.2.2 二維模型24-26
• 2.2.3 三維模型26-27
• 2.3 格子Boltzmann方法的平衡分布函數(shù)27-28
• 2.4 邊界條件28-31
• 2.4.1 啟發(fā)式格式28-29
• 2.4.2 動(dòng)力學(xué)格式29
• 2.4.3 外推格式29-30
• 2.4.4 曲面邊界30-31
• 2.5 幾何模型及計(jì)算參數(shù)31-32
• 2.6 模擬程序結(jié)構(gòu)及程序驗(yàn)證32-36
• 2.6.1 格子Boltzmann方法的程序結(jié)構(gòu)32-33
• 2.6.2 導(dǎo)熱計(jì)算程序的驗(yàn)證33
• 2.6.3 輻射計(jì)算程序的驗(yàn)證33-35
• 2.6.4 輻射—導(dǎo)熱耦合計(jì)算程序的驗(yàn)證35-36
• 2.7 本章小結(jié)36-37
• 第3章 碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱和輻射傳熱性能37-53
• 3.1 3D編織結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱換熱計(jì)算37-43
• 3.1.1 熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率37-40
• 3.1.2 無量綱溫度40-42
• 3.1.3 無量綱熱流42-43
• 3.2 不同編織結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱換熱計(jì)算43-45
• 3.3 3D編織結(jié)構(gòu)輻射換熱計(jì)算45-49
• 3.3.1 當(dāng)量熱導(dǎo)率和當(dāng)量熱擴(kuò)散率45-48
• 3.3.2 無量綱溫度分布48-49
• 3.4 不同編織結(jié)構(gòu)輻射換熱計(jì)算49-51
• 3.5 本章小結(jié)51-53
• 第4章 碳纖維復(fù)合材料的輻射—導(dǎo)熱耦合傳熱性能53-64
• 4.1 3D編織結(jié)構(gòu)輻射—導(dǎo)熱耦合換熱計(jì)算53-59
• 4.2 不同編織結(jié)構(gòu)輻射—導(dǎo)熱耦合換熱計(jì)算59-62
• 4.3 本章小結(jié)62-64
• 結(jié)論64-66
• 參考文獻(xiàn)66-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果71-73
• 致謝73

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