近年來,以泡沫結構為代表的毫米級孔隙材料在能源動力、化工和航空航天等技術領域開始展現(xiàn)出重要的應用前景。在這些技術領域中,泡沫多孔材料內的物理過程,為高強度的高溫能量轉換與輸運。此外,由毫米級縫隙和纖維多孔材料(微米級孔隙)填充物組成的高超聲速飛行器熱密封結構,也經歷類似的高溫過程。無論在高速流動或是低速流動下,流體域、固體域和多孔域共存是此類過程的共性特征。由于該類多區(qū)域問題涉及導熱、對流和輻射三種傳熱方式的復雜耦合,導致現(xiàn)有的研究對其中的動量及熱量輸運規(guī)律尚缺乏必要深度的認知,制約了相關技術的發(fā)展。本文分別以高溫換熱器強化傳熱、飛行器減阻降熱以及飛行器熱密封結構為應用背景,開展泡沫及縫隙結構的對流-輻射高溫耦合傳熱機理、數(shù)值計算方法和過程輸運特性的研究。基于結構化網(wǎng)格系統(tǒng)和蒙特卡洛法(MCM),引入一種求解非規(guī)則區(qū)域內輻射熱源項的混合策略。采用該策略計算泡沫骨架表面間的孔隙尺度輻射換熱,并將其與流-固耦合傳熱CFD模擬結合,建立泡沫結構內對流-輻射耦合傳熱的孔隙尺度模擬方法。分別從孔隙尺度對流傳熱模擬和熱輻射傳輸求解兩方面,驗證計算方法的可靠性。對填充鎳泡沫的矩形通道,分析定壁溫加熱...

【文章頁數(shù)】：181 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
符號表
第1章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 泡沫結構內對流換熱及熱輻射傳輸研究現(xiàn)狀
        1.2.1 泡沫結構內對流換熱特性研究
        1.2.2 泡沫結構內熱輻射傳輸研究
    1.3 泡沫結構內對流-輻射高溫耦合傳熱研究現(xiàn)狀
        1.3.1 連續(xù)尺度研究
        1.3.2 孔隙尺度研究
    1.4 縫隙結構的高速流動及耦合傳熱研究現(xiàn)狀
        1.4.1 縫隙結構的高速流動特性研究
        1.4.2 縫隙結構的流-固耦合傳熱特性研究
    1.5 主要研究內容
第2章 泡沫結構內對流-輻射耦合傳熱的孔隙尺度分析方法
    2.1 泡沫結構內對流-輻射耦合傳熱控制方程
        2.1.1 物理模型
        2.1.2 孔隙尺度幾何建模
        2.1.3 孔隙尺度求解方法的控制方程
        2.1.4 連續(xù)尺度求解方法的控制方程
    2.2 非規(guī)則區(qū)域內輻射源項計算方法
        2.2.1 混合網(wǎng)格模型
        2.2.2 輻射源項轉換及耦合流程
    2.3 數(shù)值模擬的可靠性驗證
        2.3.1 基于孔隙尺度對流換熱模擬驗證
        2.3.2 熱輻射傳輸求解驗證
    2.4 孔隙尺度傳熱特性分析
        2.4.1 計算模型及求解方法
        2.4.2 孔尺度流場特征分析
        2.4.3 輻射熱效應的影響
        2.4.4 局部超高溫區(qū)域連續(xù)尺度求解方法的檢驗
    2.5 本章小結
第3章 泡沫結構內高溫耦合傳熱的雙尺度分析
    3.1 泡沫結構內對流-輻射耦合傳熱的雙尺度分析方法
        3.1.1 物理模型
        3.1.2 孔隙尺度與連續(xù)尺度的入射輻射模擬
        3.1.3 雙尺度分析方法
    3.2 雙尺度分析模塊及求解方法
        3.2.1 計算模型及求解方法
        3.2.2 數(shù)值驗證
    3.3 流動及傳熱特性分析
        3.3.1 入射輻射熱流的吸收分布
        3.3.2 流場分析
        3.3.3 溫度場分析
        3.3.4 局部傳熱特性分析
    3.4 本章小結
第4章 高超聲速飛行器前置泡沫結構的高溫耦合傳熱特性
    4.1 耦合傳熱模型及數(shù)值計算方法
        4.1.1 超聲速氣流沖擊圓柱狀泡沫結構模型
        4.1.2 超聲速氣流沖擊帶泡沫減阻桿-固體鈍形輪廓體模型
        4.1.3 高速可壓縮流動及傳熱控制方程
        4.1.4 數(shù)值算法及驗證
    4.2 前置等徑圓柱狀泡沫結構的耦合傳熱特性
        4.2.1 瞬態(tài)流場的發(fā)展特征
        4.2.2 高速繞流下的泡沫結構高溫傳熱特性分析
        4.2.3 泡沫結構長度對前緣氣動熱效應的影響
    4.3 前置泡沫減阻桿的鈍形體高溫耦合傳熱特性
        4.3.1 泡沫減阻桿幾何參數(shù)對激波阻力的影響
        4.3.2 泡沫減阻桿的高速流場特性分析
        4.3.3 泡沫減阻桿的高溫耦合傳熱特性分析
        4.3.4 泡沫減阻桿的氣動力分析
    4.4 本章小結
第5章 高速流場中縫隙結構的瞬態(tài)耦合傳熱特性
    5.1 縫隙結構的全速域耦合傳熱模型及數(shù)值算法
        5.1.1 縫隙結構及縫-腔結構模型
        5.1.2 計算條件及熱耦合模型
        5.1.3 數(shù)值算法及驗證
    5.2 高速流場中局部縫隙結構的瞬態(tài)耦合傳熱特性
        5.2.1 單純縫隙結構的耦合傳熱特性
        5.2.2 填充纖維多孔材料的縫隙結構耦合傳熱特性
        5.2.3 兩種典型縫-腔結構的熱侵入特性對比
    5.3 高速流場局部縫隙結構的耦合傳熱解耦分析
        5.3.1 解耦計算模型
        5.3.2 無密封條件下的解耦計算關聯(lián)式
        5.3.3 有密封條件下的解耦計算關聯(lián)式
    5.4 縫隙結構熱侵入過程解耦分析方法的可靠性驗證
        5.4.1 數(shù)值驗證
        5.4.2 實驗驗證
    5.5 基于解耦方法的縫-腔多區(qū)域結構熱侵入特性分析
    5.6 本章小結
結論
參考文獻
攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文
致謝
個人簡歷



本文編號：3906775