基于Fe-FDM方法的金屬蜂窩換熱器三維梯度設計.pdf

1、金屬蜂窩材料是典型的輕質(zhì)點陣材料，同時兼具承載和高效主動散熱雙重功能。相對于傳統(tǒng)材料，金屬蜂窩材料的最大的優(yōu)勢是具有可設計性，通過調(diào)整蜂窩材料的孔隙率，內(nèi)部單胞孔的形狀、大小、分布等可設計參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)單一或者多種功能的最佳設計。研究建立針對金屬蜂窩材料的設計理論和方法具有重要的科學意義和實際應用價值。
　　現(xiàn)有用于金屬梯度蜂窩的分析方法大多基于冷卻流體在截面內(nèi)等溫的假設，在前期的研究工作表明這些分析方法存在較大的誤差，故提出了考

2、慮冷卻流體在橫截面內(nèi)溫度分布的有限元-有限差分混合快速算法(FE-FDM)。本文首先基于FE-FDM方法對蜂窩夾層平板換熱器沿著高度方向的梯度進行重新評估和設計，發(fā)現(xiàn)基于截面等溫假設的分析方法對優(yōu)化方向存在誤判，在橫截面內(nèi)進行梯度設計的優(yōu)化收益較小;其次，提出了截面梯度和流動方向梯度協(xié)同的結構設計新策略，以四邊形金屬蜂窩為例，證實了設計策略的有效性;最后，對具體的四邊形金屬蜂窩新構型進行了進一步參數(shù)優(yōu)化，并討論了不同蜂窩單胞拓撲形式的優(yōu)

3、化收益。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)蜂窩夾層平板換熱器截面梯度優(yōu)化設計。梯度蜂窩材料因其靠近熱源位置小孔徑蜂窩具有快速吸熱的能力被廣泛的研究。傳統(tǒng)的計算方法采用截面等溫假設，對梯度蜂窩的分析存在誤區(qū)。本文采用考慮截面溫度分布的FE-FDM方法，分析截面梯度分布的金屬蜂窩結構換熱性能。分析發(fā)現(xiàn)，梯度蜂窩材料雖然在長度較小或者長度足夠長時具有較好的換熱性能，但對于通常所研究的蜂窩結構均勻蜂窩表現(xiàn)更佳。因此，當前對于截面孔徑分布的優(yōu)化

4、設計思想需要轉(zhuǎn)變。
　　(2)強化蜂窩夾層平板換熱的新型內(nèi)部結構設計策略?？紤]到截面梯度蜂窩結構在設計中的局限性，提出沿結構截面與流動方向協(xié)同的梯度設計策略，并將該策略應用到四邊形蜂窩設計中。針對新型設計策略提出基于FE-FDM的改進快速數(shù)值算法，并對該算法進行了數(shù)值模擬驗證，結果證明該算法能夠準確描述新型組合蜂窩結構。計算了新型蜂窩結構換熱性能并與均勻蜂窩進行比較，結果證明沿流動和截面方向協(xié)同的設計策略能夠有效提高結構的換熱性能

5、，并通過提取不同截面位置溫度分布情況進一步分析了該設計策略的換熱機理。
　　(3)梯度蜂窩夾層平板換熱器的優(yōu)化設計。以應用新型三維設計策略的四邊形蜂窩結構為基礎，針對該結構分別從結構尺寸和拓撲構型兩方面做優(yōu)化設計。尺寸優(yōu)化中，分別選取結構第一層級長度和高度作為設計變量，結果表明:通過合理設計結構尺寸能夠充分發(fā)揮流體的換熱能力，提高結構整體換熱性能。拓撲優(yōu)化中，將新型三維設計策略分別應用到三角形和六邊形蜂窩結構中，結果表明:該設計策