超材料微結構流動和傳熱調控特性的熱力學機理研究.pdf

1、超材料微結構以其超常物理性質被應用于人工復合結構或媒質的多種領域，尤其是在水下減阻和戰(zhàn)略防御領域，依托其減阻和熱隱身特性更是具有極重要的戰(zhàn)略意義。近年來隨著現(xiàn)代精密儀器設備制造技術和微納米尺度材料制備技術的發(fā)展，超材料微結構的研究日益深入，其流動和傳熱的調控機理成為國內外學者研究的熱點。
　　本文構建了超材料微結構的流動和傳熱模型，應用FLUENT軟件展開數(shù)值模擬計算。根據(jù)熵產最小化理論和（火積）耗散極值理論，分別提出了減阻率和熱

2、隱身率兩個評價指標，來分別對其流動減阻和熱隱身特性進行熱力學評價，在能量的轉移與利用角度對超材料微結構的流動和傳熱模型進行分析。在此基礎上，分別研究不同尺寸和不同工況下的超材料微結構流動和傳熱特性，并最終討論了結構尺寸、形狀及工況的影響規(guī)律。最后，結合實際應用對超材料微結構的流動和傳熱模型結構分別進行了改進。
　　為分析超材料微結構流動的減阻特性，以周期性微尺度溝槽結構為基本模型，根據(jù)所選結構及其工況，對微結構以基礎的矩形和三角形

3、橫截面為原始結構，分別構建不同橫截面，不同尺寸參數(shù)，不同雷諾數(shù)下典型周期性微結構的流動模型，展開數(shù)值模擬，應用熵產理論進行熱力學分析。結果表明：無論是齒形還是矩形截面微結構都能夠起到較好的減阻效果，但齒形微尺度模型減阻效果更好些。隨雷諾數(shù)的增大，減阻率曲線趨勢呈拋物線形，即先增加后減小。對于矩形微結構，當縱向高度比的增加時，減阻率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。對于齒形微結構隨著頂角角度的減小，減阻率逐漸增大。結合數(shù)值模擬結果的動力學和熱力學特

4、性，分析超材料微結構的減阻機理。
　　基于超材料熱隱身斗篷結構，分別構建分不同層數(shù)，不同傳熱溫差的傳熱模型，并展開數(shù)值模擬，以分析超材料微結構傳熱隱身特性。將所得數(shù)據(jù)利用（火積）耗散原理進行熱隱身效果的分析，在能量的傳遞和耗散的角度對熱隱身機理進行解釋。結果表明：當傳熱進行到30秒之后，熱隱身率隨層數(shù)的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當熱隱身斗篷涂層為8層時，熱隱身效果最好，當熱隱身斗篷涂層為2層時，熱隱身效果最差。在不同的傳熱溫差

5、下，熱隱身斗篷結構熱隱身率隨時間的增加呈現(xiàn)減小的趨勢。傳熱溫差為60K時，隱身效果最好，溫差為100K時隱身效果最差。
　　基于齒形和矩形流動模型，考慮到加工過程中的制造圓角與實際過程中的磨損，對微結構的頂角及底角進行磨損圓角改進，構建模型并展開數(shù)值計算，利用減阻率對其減阻效果給出熱力學性能評判。基于圓環(huán)形的傳熱模型，針對高超聲速飛行器等制導設備中較為常見的梭形和導彈形結構，分別設計了上述形狀的熱隱身斗篷模型，并展開計算，利用熱隱