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  本文關鍵詞：多孔材料傳熱特性分析與散熱結構優(yōu)化設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《大連理工大學》 2008年

多孔材料傳熱特性分析與散熱結構優(yōu)化設計

張永存  

【摘要】： 防熱是航空航天、能源動力、電氣電子等工程中普遍關注的問題�？仗祜w行器熱障問題、高溫環(huán)境下對溫度敏感的儀器設備的熱保護問題、電子器件散熱問題等均需要有效隔熱和積極散熱措施。多孔材料(包括最新研發(fā)的點陣材料)同時具備輕質、多功能和可設計等特點,在滿足其他功能的同時具有良好的防熱性能。閉孔多孔材料具有低的傳熱系數可用于隔熱;開孔多孔材料由于具有流動通道,可用于主動散熱;可設計特點為輕質防熱等多功能設計提供了保證。多孔材料隔熱、強化傳熱等性能分析與研究以及以其為基礎的散熱結構設計優(yōu)化,具有重要的理論意義和應用價值。 在這一需求的牽動下,本文主要研究了考慮輻射和對流等影響的多孔材料熱傳輸性能的表征方法,建立了考慮輻射影響的閉孔多孔材料熱性能分析的多尺度方法、單向開孔金屬材料主動散熱性能分析的傳遞矩陣方法和快速數值方法;研究了最優(yōu)散熱結構構型設計理論,建立了基于拓撲優(yōu)化技術和仿生的最優(yōu)散熱構型設計的數學物理模型和求解方法。主要內容包括: (1)考慮輻射的多孔材料傳熱性能表征的多尺度方法。以閉孔類多孔材料(又稱空心材料)高溫隔熱應用為背景,建立了考慮輻射的傳熱性能表征的多尺度分析方法。該方法首先利用具有嚴格數學理論的均勻化方法計算具有周期性分布的空心材料的傳熱性能,得到了純導熱時的等效傳熱系數和空心材料較為精確的溫度場。在此基礎上,計算了空心材料等效輻射傳熱系數。通過與實驗結果的比較驗證了方法的有效性,并討論了孔穴形狀與尺寸對空心材料換熱性能的影響。 (2)金屬蜂窩材料主動散熱性能表征的新方法:傳遞矩陣法和快速數值算法。開孔類超輕多孔金屬材料除具有良好的力學性能外,本身還是優(yōu)良的傳熱介質。以金屬蜂窩材料強迫對流換熱應用為背景,提出了兩種分析方法:傳遞矩陣方法和快速數值算法。傳遞矩陣方法以金屬蜂窩夾層結構為研究對象,避免了現(xiàn)有理論模型中的一些近似,是一個更精確的理論模型。與現(xiàn)有的理論模型相比,所預測的結果處于皺壁模型和等效介質模型預測的結果之間,且更趨近于數值仿真的結果。快速數值算法是在實際工程應用中會屬蜂窩填充的復雜結構的換熱性能分析以及多功能優(yōu)化設計需求的推動下,以及有限元法和傳遞矩陣方法的雙重啟發(fā)下提出來的。該方法繼承了傳遞矩陣方法的計算精度,同時繼承了有限元方法的廣泛適用性。與有限體積法相比,計算效率提高3到4個數量級。針對兩個具體算例,通過與有限體積方法計算結果比較,驗證了方法的有效性。 (3)基于拓撲優(yōu)化的導熱通道的幾何構型設計方法。針對電子設備中基本科學問題,體-點導熱問題,提出了基于拓撲優(yōu)化的導熱通道的幾何構型設計方法。利用該方法所獲得的設計結果在性能上遠大于仿生優(yōu)化所獲得的結果,且能突破現(xiàn)有構造方法的性能設計極限。另外,設計結果與自然界中自然樹的結構相似,比利用構造方法所獲得的結果在結構上更趨近于自然樹。 (4)最優(yōu)傳熱結構設計問題的數學模型。針對許多實際電子元器件不能超過額定最高溫度值這一要求,從理論角度探討了實現(xiàn)最高溫度最低的優(yōu)化模型的建立。利用一個平板導熱優(yōu)化問題,首先評估了以熱量傳勢容耗散(又稱散熱弱度)為優(yōu)化目標的現(xiàn)有優(yōu)化模型來實現(xiàn)設計目的的近似程度,提出了一個基于幾何平均溫度的散熱性能描述指標,并以此為目標函數,建立了一個新的散熱結構設計優(yōu)化模型。通過與現(xiàn)有優(yōu)化模型和理論最優(yōu)設計的比較,說明幾何平均溫度是描述散熱性能的良好指標,所建立的優(yōu)化模型能夠有效獲得散熱結構的最優(yōu)設計。 (5)基于仿生思想的樹狀多級通道對流散熱結構設計。從實際散熱結構設計出發(fā),改進了基于仿生思想獲得的樹枝狀分形通道對流冷卻散熱結構的設計方法。改進后的設計方法能夠滿足任意長寬比的生熱表面的散熱要求,同時提出了一種新的分析方法。研究表明,在各種條件下,最優(yōu)設計的分形層次均為7,生熱表面一定的條件下,最優(yōu)的長寬比為1.87。這些研究結果能為實際工程設計提供非常有價值的參考。 本文工作得到國家自然科學基金(10332010,90205029,10721062)、國家重點基礎研究(973)計劃(2006CB601205)和教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-04-0272)的資助。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TB383.4
【目錄】：

摘要4-6

Abstract6-12

1 緒論12-34

1.1 多孔材料傳熱特性研究進展12-22

1.1.1 多孔材料簡介13-15

1.1.2 多孔材料傳熱特性15-19

1.1.3 多孔材料傳熱性能表征及分析方法19-22

1.2 散熱結構的優(yōu)化設計22-32

1.2.1 研究背景及意義22-24

1.2.2 幾何結構構型設計理論簡介24-26

1.2.3 樹枝狀散熱結構優(yōu)化設計的研究進展26-32

1.3 本文的研究內容32-34

2 考慮輻射的多孔材料傳熱性能的多尺度分析方法34-50

2.1 引言34-35

2.2 等效熱傳導系數35-38

2.3 基于均勻化方法的純導熱等效熱傳導系數計算38-39

2.4 考慮輻射的等效熱傳導系數計算39-41

2.5 計算結果和討論41-49

2.5.1 與實驗值和已有計算結果的比較42-44

2.5.2 孔穴形狀與分布的影響44-46

2.5.3 輻射傳熱與孔徑的關系46

2.5.4 輻射傳熱與孔隙率的關系46-49

2.6 結論49-50

3 表征金屬蜂窩材料換熱性能的新方法50-68

3.1 引言50-51

3.2 散熱結構模型描述51

3.3 蜂窩材料相關參數介紹51-55

3.3.1 蜂窩材料相關幾何參數51-53

3.3.2 局部對流換熱系數53

3.3.3 壓力降53-54

3.3.4 等效熱傳導系數54-55

3.4 現(xiàn)有理論模型求解策略55-58

3.5 傳遞矩陣方法58-63

3.6 方法有效性驗證63-67

3.7 其他形狀蜂窩材料的傳遞矩陣67

3.8 小結67-68

4 金屬蜂窩材料換熱性能分析快速數值算法68-83

4.1 引言68-70

4.2 散熱結構模型描述70

4.3 理論推導70-76

4.5 數值仿真76-78

4.6 有效性驗證78-82

4.6.1 規(guī)則六邊形蜂窩為芯層的夾層平板換熱器79-80

4.6.2 規(guī)則四邊形蜂窩填充的空心方形換熱器80-81

4.6.3 算法有效性及高效性分析81-82

4.7 小結82-83

5 基于拓撲優(yōu)化的導熱通道優(yōu)化設計83-100

5.1 引言83-84

5.2 體-點導熱問題的描述84

5.3 體-點導熱問題的優(yōu)化模型84-86

5.4 體-點導熱問題的拓撲優(yōu)化求解方法86-89

5.4.1 SIMP材料差值模型86-88

5.4.2 敏度分析88

5.4.3 棋盤效應88-89

5.4.4 優(yōu)化計算流程89

5.5 計算結果與討論89-99

5.5.1 均勻內熱源區(qū)域的高導熱通道的設計90-96

5.5.2 非均勻內熱源區(qū)域的高導熱通道的設計96-97

5.5.3 不同設計方法的比較分析97-99

5.6.結論99-100

6 最優(yōu)傳熱結構設計問題的數學模型100-110

6.1 引言100-101

6.2 導熱平板散熱器優(yōu)化設計101-105

6.3 基于幾何平均溫度為散熱性能描述指標的優(yōu)化模型105-109

6.4.小結109-110

7 樹枝狀分形網絡通道散熱器換熱性能分析110-124

7.1 引言110

7.2 樹狀分形網絡通道散熱器設計策略110-114

7.3 改進的樹狀分形網絡通道散熱器設計策略114-115

7.4 樹狀分形網絡通道散熱器的傳熱與壓力降115-122

7.5 芯片長寬比的影響122-123

7.6 小結123-124

8 結論與展望124-127

8.1 結論124-125

8.2 展望125-127

創(chuàng)新點摘要127-128

參考文獻128-137

攻讀博士學位期間發(fā)表學術論文情況137-139

致謝139-140

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