【摘要】：金屬蜂窩材料是典型的輕質(zhì)點(diǎn)陣材料,同時(shí)兼具承載和高效主動散熱雙重功能。相對于傳統(tǒng)材料,金屬蜂窩材料的最大的優(yōu)勢是具有可設(shè)計(jì)性,通過調(diào)整蜂窩材料的孔隙率,內(nèi)部單胞孔的形狀、大小、分布等可設(shè)計(jì)參數(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)單一或者多種功能的最佳設(shè)計(jì)。研究建立針對金屬蜂窩材料的設(shè)計(jì)理論和方法具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值�，F(xiàn)有用于金屬梯度蜂窩的分析方法大多基于冷卻流體在截面內(nèi)等溫的假設(shè),在前期的研究工作表明這些分析方法存在較大的誤差,故提出了考慮冷卻流體在橫截面內(nèi)溫度分布的有限元-有限差分混合快速算法(FE-FDM)。本文首先基于FE-FDM方法對蜂窩夾層平板換熱器沿著高度方向的梯度進(jìn)行重新評估和設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)基于截面等溫假設(shè)的分析方法對優(yōu)化方向存在誤判,在橫截面內(nèi)進(jìn)行梯度設(shè)計(jì)的優(yōu)化收益較�。黄浯�,提出了截面梯度和流動方向梯度協(xié)同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新策略,以四邊形金屬蜂窩為例,證實(shí)了設(shè)計(jì)策略的有效性；最后,對具體的四邊形金屬蜂窩新構(gòu)型進(jìn)行了進(jìn)一步參數(shù)優(yōu)化,并討論了不同蜂窩單胞拓?fù)湫问降膬?yōu)化收益。具體研究內(nèi)容如下：(1)蜂窩夾層平板換熱器截面梯度優(yōu)化設(shè)計(jì)。梯度蜂窩材料因其靠近熱源位置小孔徑蜂窩具有快速吸熱的能力被廣泛的研究。傳統(tǒng)的計(jì)算方法采用截面等溫假設(shè),對梯度蜂窩的分析存在誤區(qū)。本文采用考慮截面溫度分布的FE-FDM方法,分析截面梯度分布的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)換熱性能。分析發(fā)現(xiàn),梯度蜂窩材料雖然在長度較小或者長度足夠長時(shí)具有較好的換熱性能,但對于通常所研究的蜂窩結(jié)構(gòu)均勻蜂窩表現(xiàn)更佳。因此,當(dāng)前對于截面孔徑分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想需要轉(zhuǎn)變。(2)強(qiáng)化蜂窩夾層平板換熱的新型內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。考慮到截面梯度蜂窩結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的局限性,提出沿結(jié)構(gòu)截面與流動方向協(xié)同的梯度設(shè)計(jì)策略,并將該策略應(yīng)用到四邊形蜂窩設(shè)計(jì)中。針對新型設(shè)計(jì)策略提出基于FE-FDM的改進(jìn)快速數(shù)值算法,并對該算法進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證,結(jié)果證明該算法能夠準(zhǔn)確描述新型組合蜂窩結(jié)構(gòu)。計(jì)算了新型蜂窩結(jié)構(gòu)換熱性能并與均勻蜂窩進(jìn)行比較,結(jié)果證明沿流動和截面方向協(xié)同的設(shè)計(jì)策略能夠有效提高結(jié)構(gòu)的換熱性能,并通過提取不同截面位置溫度分布情況進(jìn)一步分析了該設(shè)計(jì)策略的換熱機(jī)理。(3)梯度蜂窩夾層平板換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以應(yīng)用新型三維設(shè)計(jì)策略的四邊形蜂窩結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),針對該結(jié)構(gòu)分別從結(jié)構(gòu)尺寸和拓?fù)錁?gòu)型兩方面做優(yōu)化設(shè)計(jì)。尺寸優(yōu)化中,分別選取結(jié)構(gòu)第一層級長度和高度作為設(shè)計(jì)變量,結(jié)果表明：通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸能夠充分發(fā)揮流體的換熱能力,提高結(jié)構(gòu)整體換熱性能。拓?fù)鋬?yōu)化中,將新型三維設(shè)計(jì)策略分別應(yīng)用到三角形和六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)中,結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)策略不僅能夠有效提高四邊形蜂窩結(jié)構(gòu)換熱性能,并且適用于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該策略使三角形以及六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)整體換熱性能提高50%左右。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.4;TQ051.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2751387