基于格子玻尔兹曼方法的纤维材料耦合传热研究

发布时间：2017-09-28 11:28

  本文关键词：基于格子玻尔兹曼方法的纤维材料耦合传热研究

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【摘要】：碳纤维复合材料具有优异的热学和力学性能,被广泛应用于航天器热防护领域。高温条件下,其内部不断进行导热换热和辐射换热过程。格子Boltzmann方法具有易于实现的边界条件、编码方法简单和具有完全并行性等独特的优点,被广泛应用于介质换热过程的数值模拟中。本文以三维四步编织法成型的3D碳纤维预制体编织结构、斜角联锁编织法成型的2.5D碳纤维预制体编织结构以及平纹碳布叠层法成型的2D碳纤维预制体编织结构这三种典型编织结构的碳纤维复合材料为研究对象,基于格子Boltzmann方法理论,分别对其导热、辐射以及辐射—导热耦合换热过程进行了模拟,主要研究内容包括:(1)针对碳纤维复合材料不同编织结构,基于格子Boltzmann方法,建立了用于热传导的声子输运模型和用于热辐射的光子辐射传输模型。用Fortran语言对导热、辐射以及辐射—导热耦合换热过程进行编程,通过与公开文献对比验证了程序的可靠性及准确性;(2)分析了碳纤维复合材料编织结构对其各向异性导热性能的影响。针对三种典型的编织结构,计算温度由773K升高至1773K时,不同厚度条件下材料的各向异性导热性能,并分析温度、编织结构、几何尺寸对其导热性能的影响;(3)只考虑辐射热流时,在大尺度条件下计算三种结构的当量导热性能,分析了温度、编织结构、几何尺寸对其辐射热流和当量导热性能的影响;(4)开展了对碳纤维复合材料辐射—导热耦合换热的研究。计算三种编织结构碳纤维复合材料的当量热导率和当量热扩散率,将纯导热和耦合换热所计算的相应传热性能参数进行对比,分析辐射热流的加入对不同编织结构材料换热性能的影响。经模拟对比发现,编织结构、温度、几何尺寸均会影响碳纤维复合材料的传热性能。在低温时,纯导热和辐射—导热耦合换热条件下的当量传热性能差别不大,而随着温度的升高,传热性能参数的差值逐渐增大,这为碳纤维复合材料的工程应用提供了设计参考。
【关键词】：碳纤维 编织结构 格子玻尔兹曼方法 各向异性导热 热辐射
【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】：TB332
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题背景和意义8-9
• 1.2 碳纤维复合材料传热性能研究现状9-11
• 1.3 格子Boltzmann方法在传热方面的研究现状11-14
• 1.4 主要研究内容14-16
• 第2章 格子Boltzmann方法及程序验证16-37
• 2.1 格子Boltzmann方程16-23
• 2.1.1 格子Boltzmann传递方程16-18
• 2.1.2 BGKW近似18
• 2.1.3 声子热输运的格子Boltzmann方程18-20
• 2.1.4 光子辐射传输的格子Boltzmann方程20-21
• 2.1.5 辐射—导热耦合换热的格子Boltzmann方程21-23
• 2.2 格子Boltzmann方法的离散速度模型23-27
• 2.2.1 一维模型23-24
• 2.2.2 二维模型24-26
• 2.2.3 三维模型26-27
• 2.3 格子Boltzmann方法的平衡分布函数27-28
• 2.4 边界条件28-31
• 2.4.1 启发式格式28-29
• 2.4.2 动力学格式29
• 2.4.3 外推格式29-30
• 2.4.4 曲面边界30-31
• 2.5 几何模型及计算参数31-32
• 2.6 模拟程序结构及程序验证32-36
• 2.6.1 格子Boltzmann方法的程序结构32-33
• 2.6.2 导热计算程序的验证33
• 2.6.3 辐射计算程序的验证33-35
• 2.6.4 辐射—导热耦合计算程序的验证35-36
• 2.7 本章小结36-37
• 第3章 碳纤维复合材料的导热和辐射传热性能37-53
• 3.1 3D编织结构导热换热计算37-43
• 3.1.1 热导率和热扩散率37-40
• 3.1.2 无量纲温度40-42
• 3.1.3 无量纲热流42-43
• 3.2 不同编织结构导热换热计算43-45
• 3.3 3D编织结构辐射换热计算45-49
• 3.3.1 当量热导率和当量热扩散率45-48
• 3.3.2 无量纲温度分布48-49
• 3.4 不同编织结构辐射换热计算49-51
• 3.5 本章小结51-53
• 第4章 碳纤维复合材料的辐射—导热耦合传热性能53-64
• 4.1 3D编织结构辐射—导热耦合换热计算53-59
• 4.2 不同编织结构辐射—导热耦合换热计算59-62
• 4.3 本章小结62-64
• 结论64-66
• 参考文献66-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果71-73
• 致谢73

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本文编号：935595