基于Fe-FDM方法的金屬蜂窩換熱器三維梯度設(shè)計(jì).pdf

1、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(dòng)散熱雙重功能。相對(duì)于傳統(tǒng)材料，金屬蜂窩材料的最大的優(yōu)勢(shì)是具有可設(shè)計(jì)性，通過(guò)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(duì)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。
　　現(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

2、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(duì)蜂窩夾層平板換熱器沿著高度方向的梯度進(jìn)行重新評(píng)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(duì)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)化收益較小;其次，提出了截面梯度和流動(dòng)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(duì)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)

3、化收益。具體研究?jī)?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(duì)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(zhǎng)度較小或者長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)具有較好的換熱性能，但對(duì)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(duì)于截面孔徑分布的優(yōu)化

4、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?？紤]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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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

5、，并通過(guò)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(duì)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(jí)長(zhǎng)度和高度作為設(shè)計(jì)變量，結(jié)果表明:通過(guò)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