微结构材料传热流动调控过程的热力学特性研究

发布时间：2017-09-25 12:00

  本文关键词：微结构材料传热流动调控过程的热力学特性研究

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【摘要】：具有特殊功能的微结构材料可以被应用到光学、声学、热力学等各个领域,在国防、微元件保护等方面有着广阔的应用前景。随着制备技术、精密测量仪器的发展和各国学者对微结构材料研究的深入,微结构材料在传热和流动过程中能量和动量的传输机理逐渐成了各国学者的研究重点。本文对基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)和铜材料楔形扇区制成的热集中器模型进行了仿真计算,并利用熵产理论对传输过程的不可逆耗散进行了分析。热集中器可以很好地控制热流方向而对外界环境温度场以及耗散分布影响很小。基于温升和熵产率指标,提出了热集中率参数,热集中器的热集中率在导热过程中波动变化,导热初期最大,最终稳定在0附近。针对集中器模型两侧温差分别为60K、100K、140K和半圆形热集中器单元中心间距为4mm和8mm结构工况下的集热性能进行了计算和评价,温差越大或者中心间距越小,热集中效果越好。针对不同浓度纳米流体在微结构渐扩管道内流动,本文得到了纳米颗粒浓度分别为0.4、1.0、1.8、2.8、4.0时在Re分别为50、100、150、200、300工况的计算结果。利用流动熵产和传热熵产得到了流动和传热的不可逆损失规律,从物性调控角度对传输特性进行了分析。增加纳米颗粒浓度或者Re数,会使得流动不可逆耗散增加,平均传热不可逆耗散减小,其中传热不可逆损失数值远远大于流动不可逆损失,在总耗散中占主导作用。基于中国散裂中子源退耦合液氢慢化器实体,对三维复杂热沉积分布下的慢化器真空层内部区域和外部区域进行了仿真计算,并利用熵产理论对传输特性进行了分析。热沉积的不均匀分布,导致慢化器插件温度分布不均匀,极大值分布在容器的一角,为354.4K。在真空层外部,氦容器温度最高,传热不可逆损失也最大;冷却水能够及时带走热量,温度较低,不可逆耗散也较低。在真空层内部,窄化片的不对称分流,导致两侧的液氢速度场和温度场不同。在液氢容器内,流动损失和传热损失数值相当,主要集中在容器底部区域。沿着液氢流动方向,流动损失和传热损失先减小后增加,在容器底部处突增。针对进氢管长度变化提出了优化方案,综合分析温度和耗散因素,得到进氢管管口距离氢容器底部距离在15mm或者50mm左右效果较好。
【关键词】：微结构材料 熵产分析 热力学特性 退耦合液氢慢化器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB30
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义9-10
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 课题研究的背景和意义9-10
• 1.2 微结构超材料传热模型研究现状10-12
• 1.3 传热流动中熵产分析研究现状12-13
• 1.4 本文主要研究内容13-15
• 第2章 微结构超材料传热计算15-33
• 2.1 引言15
• 2.2 数理模型15-19
• 2.2.1 熵产率模型15-16
• 2.2.2 微结构超材料物理模型16-18
• 2.2.3 微尺度超材料传热模型计算网格18-19
• 2.2.4 热集中率评价指标19
• 2.3 热集中器集热计算19-24
• 2.4 热集中器熵产率计算24-29
• 2.5 热集中器集热效果影响因素分析29-31
• 2.6 本章小结31-33
• 第3章 微结构流动物性调控计算33-57
• 3.1 引言33
• 3.2 微结构流动计算模型33-37
• 3.2.1 几何模型33-34
• 3.2.2 数学模型及参数34-37
• 3.2.3 计算网格及网格无关性验证37
• 3.3 计算结果及讨论37-56
• 3.3.1 流场分析37-40
• 3.3.2 温度场分析40-43
• 3.3.3 Nu数分析43-45
• 3.3.4 熵产分析45-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第4章 退耦合液氢慢化器传输计算57-75
• 4.1 引言57
• 4.2 数理模型及网格57-62
• 4.2.1 计算模型57-61
• 4.2.2 网格划分61-62
• 4.3 热源处理62-63
• 4.4 真空层内部计算结果63-69
• 4.4.1 压力分布63-64
• 4.4.2 速度分布64-65
• 4.4.3 温度分布65-66
• 4.4.4 熵产分布66-69
• 4.5 真空层外部计算结果69-72
• 4.5.1 速度分布69
• 4.5.2 温度分布69-71
• 4.5.3 熵产率分布71-72
• 4.6 优化结构的计算及分析72-74
• 4.7 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献76-82
• 攻读学位期间发表的学术论文82-85
• 致谢85

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本文编号：917212