超材料微結(jié)構(gòu)流動(dòng)和傳熱調(diào)控特性的熱力學(xué)機(jī)理研究.pdf

1、超材料微結(jié)構(gòu)以其超常物理性質(zhì)被應(yīng)用于人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或媒質(zhì)的多種領(lǐng)域，尤其是在水下減阻和戰(zhàn)略防御領(lǐng)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(lái)隨著現(xiàn)代精密儀器設(shè)備制造技術(shù)和微納米尺度材料制備技術(shù)的發(fā)展，超材料微結(jié)構(gòu)的研究日益深入，其流動(dòng)和傳熱的調(diào)控機(jī)理成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
　　本文構(gòu)建了超材料微結(jié)構(gòu)的流動(dòng)和傳熱模型，應(yīng)用FLUENT軟件展開(kāi)數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)熵產(chǎn)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(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)分別對(duì)其流動(dòng)減阻和熱隱身特性進(jìn)行熱力學(xué)評(píng)價(jià)，在能量的轉(zhuǎn)移與利用角度對(duì)超材料微結(jié)構(gòu)的流動(dòng)和傳熱模型進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，分別研究不同尺寸和不同工況下的超材料微結(jié)構(gòu)流動(dòng)和傳熱特性，并最終討論了結(jié)構(gòu)尺寸、形狀及工況的影響規(guī)律。最后，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)超材料微結(jié)構(gòu)的流動(dòng)和傳熱模型結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了改進(jìn)。
　　為分析超材料微結(jié)構(gòu)流動(dòng)的減阻特性，以周期性微尺度溝槽結(jié)構(gòu)為基本模型，根據(jù)所選結(jié)構(gòu)及其工況，對(duì)微結(jié)構(gòu)以基礎(chǔ)的矩形和三角形

3、橫截面為原始結(jié)構(gòu)，分別構(gòu)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(jié)構(gòu)的流動(dòng)模型，展開(kāi)數(shù)值模擬，應(yīng)用熵產(chǎn)理論進(jìn)行熱力學(xué)分析。結(jié)果表明：無(wú)論是齒形還是矩形截面微結(jié)構(gòu)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(shì)呈拋物線形，即先增加后減小。對(duì)于矩形微結(jié)構(gòu)，當(dāng)縱向高度比的增加時(shí)，減阻率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。對(duì)于齒形微結(jié)構(gòu)隨著頂角角度的減小，減阻率逐漸增大。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特

4、性，分析超材料微結(jié)構(gòu)的減阻機(jī)理。
　　基于超材料熱隱身斗篷結(jié)構(gòu)，分別構(gòu)建分不同層數(shù)，不同傳熱溫差的傳熱模型，并展開(kāi)數(shù)值模擬，以分析超材料微結(jié)構(gòu)傳熱隱身特性。將所得數(shù)據(jù)利用（火積）耗散原理進(jìn)行熱隱身效果的分析，在能量的傳遞和耗散的角度對(duì)熱隱身機(jī)理進(jìn)行解釋。結(jié)果表明：當(dāng)傳熱進(jìn)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(shì)。當(dāng)熱隱身斗篷涂層為8層時(shí)，熱隱身效果最好，當(dāng)熱隱身斗篷涂層為2層時(shí)，熱隱身效果最差。在不同的傳熱溫差

5、下，熱隱身斗篷結(jié)構(gòu)熱隱身率隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。傳熱溫差為60K時(shí)，隱身效果最好，溫差為100K時(shí)隱身效果最差。
　　基于齒形和矩形流動(dòng)模型，考慮到加工過(guò)程中的制造圓角與實(shí)際過(guò)程中的磨損，對(duì)微結(jié)構(gòu)的頂角及底角進(jìn)行磨損圓角改進(jìn)，構(gòu)建模型并展開(kāi)數(shù)值計(jì)算，利用減阻率對(duì)其減阻效果給出熱力學(xué)性能評(píng)判。基于圓環(huán)形的傳熱模型，針對(duì)高超聲速飛行器等制導(dǎo)設(shè)備中較為常見(jiàn)的梭形和導(dǎo)彈形結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了上述形狀的熱隱身斗篷模型，并展開(kāi)計(jì)算，利用熱隱