超材料微结构流动和传热调控特性的热力学机理研究

发布时间：2017-03-30 20:08

  本文关键词：超材料微结构流动和传热调控特性的热力学机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超材料微结构以其超常物理性质被应用于人工复合结构或媒质的多种领域,尤其是在水下减阻和战略防御领域,依托其减阻和热隐身特性更是具有极重要的战略意义。近年来随着现代精密仪器设备制造技术和微纳米尺度材料制备技术的发展,超材料微结构的研究日益深入,其流动和传热的调控机理成为国内外学者研究的热点。本文构建了超材料微结构的流动和传热模型,应用FLUENT软件展开数值模拟计算。根据熵产最小化理论和(火积)耗散极值理论,分别提出了减阻率和热隐身率两个评价指标,来分别对其流动减阻和热隐身特性进行热力学评价,在能量的转移与利用角度对超材料微结构的流动和传热模型进行分析。在此基础上,分别研究不同尺寸和不同工况下的超材料微结构流动和传热特性,并最终讨论了结构尺寸、形状及工况的影响规律。最后,结合实际应用对超材料微结构的流动和传热模型结构分别进行了改进。为分析超材料微结构流动的减阻特性,以周期性微尺度沟槽结构为基本模型,根据所选结构及其工况,对微结构以基础的矩形和三角形横截面为原始结构,分别构建不同横截面,不同尺寸参数,不同雷诺数下典型周期性微结构的流动模型,展开数值模拟,应用熵产理论进行热力学分析。结果表明:无论是齿形还是矩形截面微结构都能够起到较好的减阻效果,但齿形微尺度模型减阻效果更好些。随雷诺数的增大,减阻率曲线趋势呈抛物线形,即先增加后减小。对于矩形微结构,当纵向高度比的增加时,减阻率呈现先增加后减小的趋势。对于齿形微结构随着顶角角度的减小,减阻率逐渐增大。结合数值模拟结果的动力学和热力学特性,分析超材料微结构的减阻机理。基于超材料热隐身斗篷结构,分别构建分不同层数,不同传热温差的传热模型,并展开数值模拟,以分析超材料微结构传热隐身特性。将所得数据利用(火积)耗散原理进行热隐身效果的分析,在能量的传递和耗散的角度对热隐身机理进行解释。结果表明:当传热进行到30秒之后,热隐身率随层数的增加呈现出先减小后增大的趋势。当热隐身斗篷涂层为8层时,热隐身效果最好,当热隐身斗篷涂层为2层时,热隐身效果最差。在不同的传热温差下,热隐身斗篷结构热隐身率随时间的增加呈现减小的趋势。传热温差为60K时,隐身效果最好,温差为100K时隐身效果最差。基于齿形和矩形流动模型,考虑到加工过程中的制造圆角与实际过程中的磨损,对微结构的顶角及底角进行磨损圆角改进,构建模型并展开数值计算,利用减阻率对其减阻效果给出热力学性能评判。基于圆环形的传热模型,针对高超声速飞行器等制导设备中较为常见的梭形和导弹形结构,分别设计了上述形状的热隐身斗篷模型,并展开计算,利用热隐身率对其热隐身性能给出热力学性能评判。该研究为不同情况下物体在流动和热隐身涂层的选择及设计提供了参照依据。
【关键词】：超材料微结构 热力学分析 流动减阻 热隐身 改进设计
【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】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 物理量名称及符号表8-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 引言12
• 1.2 课题来源及研究的背景和意义12-14
• 1.2.1 课题来源12
• 1.2.2 课题研究的背景和意义12-14
• 1.3 国内外在超材料微结构流动和传热调控方向的研究现状14-21
• 1.3.1 超材料微结构流动模型的研究现状14-17
• 1.3.2 超材料微结构传热模型的研究现状17-19
• 1.3.3 熵产理论的研究现状19-20
• 1.3.4（火积）理论的研究现状20-21
• 1.4 本文的主要研究内容21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第2章 超材料微结构热力学分析基础理论23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 熵产分析方法23-27
• 2.2.1 熵产分析的基本描述23-24
• 2.2.2 超材料微结构流动模型的熵产模型24-25
• 2.2.3 熵产形式的减阻率推导25-27
• 2.3（火积）分析方法27-30
• 2.3.1（火积）分析的基本描述27-28
• 2.3.2 超材料微结构传热模型火积分析方法28-30
• 2.4 Fluent软件中模型的设置30-33
• 2.4.1 引言30-31
• 2.4.2 模型简介31-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第3章 超材料微结构流动减阻计算35-48
• 3.1 引言35
• 3.2 周期性微结构流动模型构建与网格划分35-38
• 3.2.1 计算域的选取36-37
• 3.2.2 网格划分37-38
• 3.3 算例独立性验证38-40
• 3.4 超材料微结构流动模型减阻率的影响因素40-43
• 3.4.1 雷诺数对减阻率的影响40-41
• 3.4.2 微结构形状和尺寸比对减阻率的影响41-43
• 3.5 流动减阻机理的熵产分析43-46
• 3.5.1 流场分析43-45
• 3.5.2 熵产分析45-46
• 3.6 本章小结46-48
• 第4章 超材料微结构传热计算48-67
• 4.1 前言48
• 4.2 超材料微结构传热模型构建48-51
• 4.3 超材料微结构传热模型计算51-52
• 4.4 超材料微结构传热模型热力学分析52-59
• 4.5 超材料微结构传热模型热隐身效果影响因素59-65
• 4.5.1 层数对热隐身率的影响60-63
• 4.5.2 温差对热隐身率的影响63-65
• 4.6 本章小结65-67
• 第5章 超材料微结构流动和传热的改进结构67-79
• 5.1 引言67
• 5.2 超材料微结构流动模型的改进模型67-70
• 5.2.1.矩形磨损微结构模型67-69
• 5.2.2 齿形微结构模型69-70
• 5.3 热隐身微结构传热模型的改进模型70-77
• 5.3.1.梭形热隐身斗篷模型71-74
• 5.3.2.导弹型热隐身斗篷模型74-77
• 5.4 本章小结77-79
• 结论79-81
• 参考文献81-87
• 攻读学位期间发表的学术论文87-89
• 致谢89

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 Martin Wegener;;变换物理学——原理与应用[J];光学与光电技术;2015年01期

2 ;Radiative entransy flux in enclosures with non-isothermal or non-grey,opaque,diffuse surfaces and its application[J];Science China(Technological Sciences);2011年09期

3 ;“Volume-point” heat conduction constructal optimization based on entransy dissipation rate minimization with three-dimensional cylindrical element and rectangular and triangular elements on microscale and nanoscale[J];Science China(Technological Sciences);2012年03期

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5 程雪涛;徐向华;梁新刚;;广义流动中的积原理[J];物理学报;2011年11期

6 程雪涛;张勤昭;徐向华;新刚;;Optimization of fin geometry in heat convection with entransy theory[J];Chinese Physics B;2013年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 孙志国;飞机结冰数值计算与冰风洞部件设计研究[D];南京航空航天大学;2012年

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