泡沫及缝隙结构的对流—辐射高温耦合传热特性研究
发布时间：2024-02-22 12:47
近年来,以泡沫结构为代表的毫米级孔隙材料在能源动力、化工和航空航天等技术领域开始展现出重要的应用前景。在这些技术领域中,泡沫多孔材料内的物理过程,为高强度的高温能量转换与输运。此外,由毫米级缝隙和纤维多孔材料(微米级孔隙)填充物组成的高超声速飞行器热密封结构,也经历类似的高温过程。无论在高速流动或是低速流动下,流体域、固体域和多孔域共存是此类过程的共性特征。由于该类多区域问题涉及导热、对流和辐射三种传热方式的复杂耦合,导致现有的研究对其中的动量及热量输运规律尚缺乏必要深度的认知,制约了相关技术的发展。本文分别以高温换热器强化传热、飞行器减阻降热以及飞行器热密封结构为应用背景,开展泡沫及缝隙结构的对流-辐射高温耦合传热机理、数值计算方法和过程输运特性的研究。基于结构化网格系统和蒙特卡洛法(MCM),引入一种求解非规则区域内辐射热源项的混合策略。采用该策略计算泡沫骨架表面间的孔隙尺度辐射换热,并将其与流-固耦合传热CFD模拟结合,建立泡沫结构内对流-辐射耦合传热的孔隙尺度模拟方法。分别从孔隙尺度对流传热模拟和热辐射传输求解两方面,验证计算方法的可靠性。对填充镍泡沫的矩形通道,分析定壁温加热...
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号表
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 泡沫结构内对流换热及热辐射传输研究现状
1.2.1 泡沫结构内对流换热特性研究
1.2.2 泡沫结构内热辐射传输研究
1.3 泡沫结构内对流-辐射高温耦合传热研究现状
1.3.1 连续尺度研究
1.3.2 孔隙尺度研究
1.4 缝隙结构的高速流动及耦合传热研究现状
1.4.1 缝隙结构的高速流动特性研究
1.4.2 缝隙结构的流-固耦合传热特性研究
1.5 主要研究内容
第2章 泡沫结构内对流-辐射耦合传热的孔隙尺度分析方法
2.1 泡沫结构内对流-辐射耦合传热控制方程
2.1.1 物理模型
2.1.2 孔隙尺度几何建模
2.1.3 孔隙尺度求解方法的控制方程
2.1.4 连续尺度求解方法的控制方程
2.2 非规则区域内辐射源项计算方法
2.2.1 混合网格模型
2.2.2 辐射源项转换及耦合流程
2.3 数值模拟的可靠性验证
2.3.1 基于孔隙尺度对流换热模拟验证
2.3.2 热辐射传输求解验证
2.4 孔隙尺度传热特性分析
2.4.1 计算模型及求解方法
2.4.2 孔尺度流场特征分析
2.4.3 辐射热效应的影响
2.4.4 局部超高温区域连续尺度求解方法的检验
2.5 本章小结
第3章 泡沫结构内高温耦合传热的双尺度分析
3.1 泡沫结构内对流-辐射耦合传热的双尺度分析方法
3.1.1 物理模型
3.1.2 孔隙尺度与连续尺度的入射辐射模拟
3.1.3 双尺度分析方法
3.2 双尺度分析模块及求解方法
3.2.1 计算模型及求解方法
3.2.2 数值验证
3.3 流动及传热特性分析
3.3.1 入射辐射热流的吸收分布
3.3.2 流场分析
3.3.3 温度场分析
3.3.4 局部传热特性分析
3.4 本章小结
第4章 高超声速飞行器前置泡沫结构的高温耦合传热特性
4.1 耦合传热模型及数值计算方法
4.1.1 超声速气流冲击圆柱状泡沫结构模型
4.1.2 超声速气流冲击带泡沫减阻杆-固体钝形轮廓体模型
4.1.3 高速可压缩流动及传热控制方程
4.1.4 数值算法及验证
4.2 前置等径圆柱状泡沫结构的耦合传热特性
4.2.1 瞬态流场的发展特征
4.2.2 高速绕流下的泡沫结构高温传热特性分析
4.2.3 泡沫结构长度对前缘气动热效应的影响
4.3 前置泡沫减阻杆的钝形体高温耦合传热特性
4.3.1 泡沫减阻杆几何参数对激波阻力的影响
4.3.2 泡沫减阻杆的高速流场特性分析
4.3.3 泡沫减阻杆的高温耦合传热特性分析
4.3.4 泡沫减阻杆的气动力分析
4.4 本章小结
第5章 高速流场中缝隙结构的瞬态耦合传热特性
5.1 缝隙结构的全速域耦合传热模型及数值算法
5.1.1 缝隙结构及缝-腔结构模型
5.1.2 计算条件及热耦合模型
5.1.3 数值算法及验证
5.2 高速流场中局部缝隙结构的瞬态耦合传热特性
5.2.1 单纯缝隙结构的耦合传热特性
5.2.2 填充纤维多孔材料的缝隙结构耦合传热特性
5.2.3 两种典型缝-腔结构的热侵入特性对比
5.3 高速流场局部缝隙结构的耦合传热解耦分析
5.3.1 解耦计算模型
5.3.2 无密封条件下的解耦计算关联式
5.3.3 有密封条件下的解耦计算关联式
5.4 缝隙结构热侵入过程解耦分析方法的可靠性验证
5.4.1 数值验证
5.4.2 实验验证
5.5 基于解耦方法的缝-腔多区域结构热侵入特性分析
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的学术论文
致谢
个人简历
本文编号：3906775
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
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摘要
ABSTRACT
符号表
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 泡沫结构内对流换热及热辐射传输研究现状
1.2.1 泡沫结构内对流换热特性研究
1.2.2 泡沫结构内热辐射传输研究
1.3 泡沫结构内对流-辐射高温耦合传热研究现状
1.3.1 连续尺度研究
1.3.2 孔隙尺度研究
1.4 缝隙结构的高速流动及耦合传热研究现状
1.4.1 缝隙结构的高速流动特性研究
1.4.2 缝隙结构的流-固耦合传热特性研究
1.5 主要研究内容
第2章 泡沫结构内对流-辐射耦合传热的孔隙尺度分析方法
2.1 泡沫结构内对流-辐射耦合传热控制方程
2.1.1 物理模型
2.1.2 孔隙尺度几何建模
2.1.3 孔隙尺度求解方法的控制方程
2.1.4 连续尺度求解方法的控制方程
2.2 非规则区域内辐射源项计算方法
2.2.1 混合网格模型
2.2.2 辐射源项转换及耦合流程
2.3 数值模拟的可靠性验证
2.3.1 基于孔隙尺度对流换热模拟验证
2.3.2 热辐射传输求解验证
2.4 孔隙尺度传热特性分析
2.4.1 计算模型及求解方法
2.4.2 孔尺度流场特征分析
2.4.3 辐射热效应的影响
2.4.4 局部超高温区域连续尺度求解方法的检验
2.5 本章小结
第3章 泡沫结构内高温耦合传热的双尺度分析
3.1 泡沫结构内对流-辐射耦合传热的双尺度分析方法
3.1.1 物理模型
3.1.2 孔隙尺度与连续尺度的入射辐射模拟
3.1.3 双尺度分析方法
3.2 双尺度分析模块及求解方法
3.2.1 计算模型及求解方法
3.2.2 数值验证
3.3 流动及传热特性分析
3.3.1 入射辐射热流的吸收分布
3.3.2 流场分析
3.3.3 温度场分析
3.3.4 局部传热特性分析
3.4 本章小结
第4章 高超声速飞行器前置泡沫结构的高温耦合传热特性
4.1 耦合传热模型及数值计算方法
4.1.1 超声速气流冲击圆柱状泡沫结构模型
4.1.2 超声速气流冲击带泡沫减阻杆-固体钝形轮廓体模型
4.1.3 高速可压缩流动及传热控制方程
4.1.4 数值算法及验证
4.2 前置等径圆柱状泡沫结构的耦合传热特性
4.2.1 瞬态流场的发展特征
4.2.2 高速绕流下的泡沫结构高温传热特性分析
4.2.3 泡沫结构长度对前缘气动热效应的影响
4.3 前置泡沫减阻杆的钝形体高温耦合传热特性
4.3.1 泡沫减阻杆几何参数对激波阻力的影响
4.3.2 泡沫减阻杆的高速流场特性分析
4.3.3 泡沫减阻杆的高温耦合传热特性分析
4.3.4 泡沫减阻杆的气动力分析
4.4 本章小结
第5章 高速流场中缝隙结构的瞬态耦合传热特性
5.1 缝隙结构的全速域耦合传热模型及数值算法
5.1.1 缝隙结构及缝-腔结构模型
5.1.2 计算条件及热耦合模型
5.1.3 数值算法及验证
5.2 高速流场中局部缝隙结构的瞬态耦合传热特性
5.2.1 单纯缝隙结构的耦合传热特性
5.2.2 填充纤维多孔材料的缝隙结构耦合传热特性
5.2.3 两种典型缝-腔结构的热侵入特性对比
5.3 高速流场局部缝隙结构的耦合传热解耦分析
5.3.1 解耦计算模型
5.3.2 无密封条件下的解耦计算关联式
5.3.3 有密封条件下的解耦计算关联式
5.4 缝隙结构热侵入过程解耦分析方法的可靠性验证
5.4.1 数值验证
5.4.2 实验验证
5.5 基于解耦方法的缝-腔多区域结构热侵入特性分析
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的学术论文
致谢
个人简历
本文编号：3906775
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