在航空工業(yè)中,隨著飛機飛行速度的提高,氣動加熱現(xiàn)象使得發(fā)動機進氣量減少,阻礙了發(fā)動機功率的進一步提高,因此降低進氣溫度,提高進氣量對實現(xiàn)飛機高超聲速飛行以及高機動性能具有重要的意義。利用開孔金屬泡沫孔隙率高、對氣流擾動大、換熱比表面積高、抗震能力強等一系列優(yōu)點所形成的緊湊式泡沫金屬換熱器具有低壓阻、大熱流通量、結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化等優(yōu)點,能夠以較小的壓力損失獲得較高的換熱效率,是實現(xiàn)發(fā)動機進氣預(yù)冷卻的有效方法。然而,在現(xiàn)有多孔泡沫金屬的研究中,大多數(shù)都只對較低流速下的泡沫金屬內(nèi)流動和傳熱特性進行了研究,而對高流速下泡沫金屬換熱器的構(gòu)效關(guān)系和綜合性能研究不足,高流速下泡沫金屬換熱器的設(shè)計尚缺乏理論指導(dǎo)。為了解決上述問題,本文采用計算流體力學(xué)方法(CFD)分別對典型規(guī)則類多孔結(jié)構(gòu)和真實泡沫金屬結(jié)構(gòu)在4~90 m/s寬速度范圍內(nèi)的流動和傳熱特性進行了研究,分析了多孔介質(zhì)主要參數(shù)對流動換熱的影響趨勢,同時提出了多孔介質(zhì)換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進方向。具體內(nèi)容包括以下幾個方面:研究了開爾文球缺結(jié)構(gòu)的流動和傳熱特性,發(fā)現(xiàn)增大孔密度和減小孔隙率都有利于提高該結(jié)構(gòu)的體積換熱系數(shù),鑒于減小孔密度會提高增加換熱器單位體積內(nèi)的質(zhì)量,因此通過增加孔密度以提升強化換熱能力是一種較好的選擇。然而,球缺結(jié)構(gòu)雖然換熱能力較強,但喉口處壓降過大使得綜合性能較低,因此,在對壓降要求較低時,球缺結(jié)構(gòu)可作為可選的強化傳熱手段。為了減小開爾文球缺結(jié)構(gòu)的壓降,研究了開爾文柱狀結(jié)構(gòu)的流動與傳熱特性,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的壓降小于球缺結(jié)構(gòu),但換熱效果也隨之降低。在以綜合效果進行評估時,發(fā)現(xiàn)得益于較小的壓降,因此柱狀結(jié)構(gòu)的綜合性能高于球缺結(jié)構(gòu)。所以當(dāng)壓降作為換熱器一項較為重要的指標(biāo)時,柱狀結(jié)構(gòu)是強化換熱手段中較好的選擇。利用工業(yè)CT掃描技術(shù),對真實多孔泡沫進行了CFD研究,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場錯綜復(fù)雜,產(chǎn)生的漩渦較為多樣。在對流場的分析中,指出了漩渦產(chǎn)生的區(qū)域和類型。對三種結(jié)構(gòu)的換熱、壓降以及綜合因子進行了對比,發(fā)現(xiàn)在計算流速范圍內(nèi),泡沫金屬結(jié)構(gòu)的體積換熱系數(shù)相比于其他結(jié)構(gòu)較低,但不排除在更高流速下泡沫金屬結(jié)構(gòu)體積換熱系數(shù)將高于其他材料的可能。以不同標(biāo)準(zhǔn)的綜合因子對三種結(jié)構(gòu)的綜合性能進行了對比,發(fā)現(xiàn)球缺結(jié)構(gòu)換熱好但阻力損失也大,柱狀結(jié)構(gòu)在特定的流速范圍內(nèi)綜合換熱和流動后其性能最優(yōu),泡沫金屬結(jié)構(gòu)綜合能力在更高流速下占優(yōu),預(yù)測可能適用于更高流速下的應(yīng)用工況。最后,綜合以上研究結(jié)果,指出了孔隙率和孔密度對泡沫金屬換熱和流動的影響趨勢,提出了在不同評價標(biāo)準(zhǔn)下應(yīng)用三種結(jié)構(gòu)的選取方案,并通過流場的對比分析,給出了提高不同結(jié)構(gòu)強化換熱能力的改進方案,對泡沫金屬換熱器的設(shè)計與優(yōu)化具有一定指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V231
【文章目錄】：
摘要
Abstract
主要符號表
1 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 泡沫金屬換熱及流動特性的研究進展
        1.2.1 泡沫金屬簡介
        1.2.2 泡沫金屬用于強化換熱的優(yōu)點
        1.2.3 泡沫金屬對流傳熱特性
        1.2.4 泡沫金屬換熱及壓降的實驗研究
        1.2.5 泡沫金屬換熱及壓降的數(shù)值研究
        1.2.6 現(xiàn)有研究內(nèi)容的不足
    1.3 本文研究內(nèi)容
2 開爾文球缺結(jié)構(gòu)的仿真研究
    2.1 物理模型的介紹與建模
        2.1.1 開爾文結(jié)構(gòu)
        2.1.2 開爾文球缺結(jié)構(gòu)的建模及參數(shù)
    2.2 控制方程與計算模型
        2.2.1 控制方程
        2.2.2 計算模型
    2.3 計算域的建立和網(wǎng)格劃分
    2.4 邊界條件、計算方法、評估方法及無關(guān)性驗證
        2.4.1 邊界條件設(shè)置
        2.4.2 計算方法
        2.4.3 計算結(jié)果的評估因子
        2.4.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證
    2.5 計算結(jié)果與分析
        2.5.1 換熱效率的評估
        2.5.2 壓降效果的評估
        2.5.3 綜合因子的評估
        2.5.4 速度矢量場分析
    2.6 本章小結(jié)
3 開爾文柱狀結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究
    3.1 物理模型的建模
    3.2 控制方程與數(shù)學(xué)模型
    3.3 計算域的建立、網(wǎng)格的劃分
    3.4 邊界條件、計算方法及無關(guān)性驗證
        3.4.1 邊界條件設(shè)置
        3.4.2 計算方法
        3.4.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證
    3.5 計算結(jié)果與分析
        3.5.1 換熱效率的評估
        3.5.2 壓降效果的評估
        3.5.3 綜合因子的評估
        3.5.4 速度矢量場分析
    3.6 本章小結(jié)
4 CT掃描真實泡沫金屬的數(shù)值研究
    4.1 CT掃描結(jié)構(gòu)的獲取及處理
        4.1.1 CT型號及多孔泡沫材料參數(shù)
        4.1.2 多孔泡沫結(jié)構(gòu)的處理
    4.2 計算結(jié)果與分析
        4.2.1 換熱效率的評估
        4.2.2 壓降效果的評估
        4.2.3 綜合因子的評估
    4.3 對三種結(jié)構(gòu)的綜合對比
        4.3.1 換熱效果的對比分析
        4.3.2 壓降效果的對比分析
        4.3.3 綜合效果的對比分析
    4.4 三種結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場分析
    4.5 物理模型的結(jié)構(gòu)改進方案
    4.6 本章小節(jié)
5 總結(jié)與展望
    5.1 本文的內(nèi)容總結(jié)
    5.2 本文的主要創(chuàng)新點
    5.3 展望
參考文獻
致謝

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5 付全榮;張銥

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