金属编织材料发散冷却数值模拟研究
发布时间：2017-08-21 10:21
本文关键词：金属编织材料发散冷却数值模拟研究
更多相关文章： 发散冷却 金属编织 换热 多孔介质 局部非热平衡 数值模拟
【摘要】：随着航空发动机的性能的不断提高,新型的高效发散冷却材料与技术越来越受到高度关注,金属编织丝网多孔材料作为发散冷却的载体,了解其内部流动与换热规律非常重要。本文基于宏观多孔介质研究方法,对堆叠平纹型金属编织丝网内的流动换热进行了数值仿真研究,并重点分析了局部非热平衡情况下几种边界条件以及局部孔隙堵塞等失效情况下对冷却效果的影响。首先,对多孔介质流动换热特性、相关参数及研究方法作了系统综述,建立了多孔介质物理与数学模型;应用基于动量插值的同位网格,构建了控制方程的离散形式;利用ADI-TDMA的代数求解方法和C语言,编制了含局部非热平衡条件的多孔介质流动换热计算程序,并对程序运算结果进行了检验。其次,根据堆叠平纹型金属编织丝网结构参数,建立了仿真几何模型;选取具有代表金属丝网编织结构单元,应用Fluent软件,对不同结构参数下三维堆叠平纹型金属编织多孔材料进行了流动与换热仿真与分析,研究发现:内部压力及速度沿程线性下降,结果符合Darcy-Forchheimer模型的关系式,并与Armour关联式吻合;内部温度及当地Nu数沿程成指数下降,Nu数随着Re数的增大而越大,相同Re数下比表面积越大其换热系数越大。再次,对于发散冷却中数值模拟中的边界条件进行了分析,将发散冷却平板的内外部流场与温度场进行了耦合计算,研究发现:当冷气注入率为2%时,冷却效率最高值已达到了38%。最后,对金属编织多孔材料局部堵塞等流动失效工况进行了仿真,局部孔隙的几何变化会导致出口流量不均,表面局部堵塞会在热端表面造成了局部高温区,内部堵塞也会造成冷却流速不均而引起表面温度变化,计算发现:模型中1mm×1mm的堵塞区会影响壁面10mm范围的温度变化。研究结果对航空发动机中,以金属编织丝网结构为载体的新型高效发散冷却材料技术的进一步研究提供了参考。
【关键词】：发散冷却 金属编织 换热 多孔介质 局部非热平衡 数值模拟
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231.1
【目录】：
- 摘要4-5
- Abstract5-14
- 注释表14-15
- 第一章 绪论15-25
- 1.1 研究背景15-17
- 1.2 国内外研究现状17-24
- 1.2.1 金属编织材料研究现状17-21
- 1.2.2 发散冷却研究现状21-24
- 1.3 本文研究内容24-25
- 第二章 多孔介质内部流动换热数值模拟方法25-45
- 2.1 多孔介质简介及其研究方法25-27
- 2.1.1 多孔介质定义及其应用25
- 2.1.2 多孔介质的主要参数25-26
- 2.1.3 多孔介质基本研究方法26-27
- 2.2 多孔介质数学模型27-31
- 2.2.1 连续性方程27-28
- 2.2.2 动量方程28-29
- 2.2.3 能量方程29-30
- 2.2.4 局部非热平衡30-31
- 2.3 数值模拟方法31-33
- 2.3.1 数值方法简介31-32
- 2.3.2 本文数值模拟方法32-33
- 2.4 多孔介质控制方程离散及网格33-38
- 2.4.1 同位网格简介33-34
- 2.4.2 同位网格上控制方程离散34-36
- 2.4.3 多孔介质控制方程的源项处理36
- 2.4.4 同位网格的动量插值法36-38
- 2.5 代数求解方法38-40
- 2.6 程序框架结构40-42
- 2.7 程序计算结果验证42-43
- 2.8 本章小结43-45
- 第三章 孔隙尺度的平纹金属编织丝网流动换热模拟45-59
- 3.1 研究思路46
- 3.2 物理模型及参数定义46-49
- 3.2.1 物理模型46-48
- 3.2.2 参数定义48-49
- 3.3 湍流模型49-50
- 3.4 控制方程50-51
- 3.5 网格独立性验证51
- 3.6 网格划分及边界条件51-52
- 3.7 计算结果及分析52-57
- 3.7.1 流动特性52-55
- 3.7.2 换热特性55-57
- 3.8 本章小结57-59
- 第四章 发散冷却数值模拟59-87
- 4.1 一维发散冷却流动换热计算及验证59-70
- 4.1.1 物理模型59-60
- 4.1.2 边界条件60-62
- 4.1.3 数值模拟边界条件分析62-70
- 4.2 典型发散冷却结构流动换热数值模拟70-77
- 4.2.1 物理模型70-71
- 4.2.2 计算方法71-72
- 4.2.3 边界条件72
- 4.2.4 参数定义和数据处理72-73
- 4.2.5 计算结果及分析73-77
- 4.3 发散冷却局部孔隙堵塞数值模拟77-86
- 4.3.1 物理模型及边界条件78-79
- 4.3.2 计算结果及分析79-86
- 4.4 本章小结86-87
- 第五章 总结与展望87-89
- 5.1 本文主要研究结论87-88
- 5.2 展望88-89
- 参考文献89-93
- 致谢93-94
- 在校期间发表论文94
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本文编号：712323
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