基于FE-FDM方法的金属蜂窝换热器三维梯度设计

发布时间：2020-07-12 03:58

【摘要】：金属蜂窝材料是典型的轻质点阵材料,同时兼具承载和高效主动散热双重功能。相对于传统材料,金属蜂窝材料的最大的优势是具有可设计性,通过调整蜂窝材料的孔隙率,内部单胞孔的形状、大小、分布等可设计参数,能够实现单一或者多种功能的最佳设计。研究建立针对金属蜂窝材料的设计理论和方法具有重要的科学意义和实际应用价值。现有用于金属梯度蜂窝的分析方法大多基于冷却流体在截面内等温的假设,在前期的研究工作表明这些分析方法存在较大的误差,故提出了考虑冷却流体在横截面内温度分布的有限元-有限差分混合快速算法(FE-FDM)。本文首先基于FE-FDM方法对蜂窝夹层平板换热器沿着高度方向的梯度进行重新评估和设计,发现基于截面等温假设的分析方法对优化方向存在误判,在横截面内进行梯度设计的优化收益较小；其次,提出了截面梯度和流动方向梯度协同的结构设计新策略,以四边形金属蜂窝为例,证实了设计策略的有效性；最后,对具体的四边形金属蜂窝新构型进行了进一步参数优化,并讨论了不同蜂窝单胞拓扑形式的优化收益。具体研究内容如下：(1)蜂窝夹层平板换热器截面梯度优化设计。梯度蜂窝材料因其靠近热源位置小孔径蜂窝具有快速吸热的能力被广泛的研究。传统的计算方法采用截面等温假设,对梯度蜂窝的分析存在误区。本文采用考虑截面温度分布的FE-FDM方法,分析截面梯度分布的金属蜂窝结构换热性能。分析发现,梯度蜂窝材料虽然在长度较小或者长度足够长时具有较好的换热性能,但对于通常所研究的蜂窝结构均匀蜂窝表现更佳。因此,当前对于截面孔径分布的优化设计思想需要转变。(2)强化蜂窝夹层平板换热的新型内部结构设计策略。考虑到截面梯度蜂窝结构在设计中的局限性,提出沿结构截面与流动方向协同的梯度设计策略,并将该策略应用到四边形蜂窝设计中。针对新型设计策略提出基于FE-FDM的改进快速数值算法,并对该算法进行了数值模拟验证,结果证明该算法能够准确描述新型组合蜂窝结构。计算了新型蜂窝结构换热性能并与均匀蜂窝进行比较,结果证明沿流动和截面方向协同的设计策略能够有效提高结构的换热性能,并通过提取不同截面位置温度分布情况进一步分析了该设计策略的换热机理。(3)梯度蜂窝夹层平板换热器的优化设计。以应用新型三维设计策略的四边形蜂窝结构为基础,针对该结构分别从结构尺寸和拓扑构型两方面做优化设计。尺寸优化中,分别选取结构第一层级长度和高度作为设计变量,结果表明：通过合理设计结构尺寸能够充分发挥流体的换热能力,提高结构整体换热性能。拓扑优化中,将新型三维设计策略分别应用到三角形和六边形蜂窝结构中,结果表明：该设计策略不仅能够有效提高四边形蜂窝结构换热性能,并且适用于其他拓扑结构,该策略使三角形以及六边形蜂窝结构整体换热性能提高50%左右。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.4;TQ051.5

【参考文献】