面向相變溫控的梯度多孔金屬材料導(dǎo)熱增強(qiáng)設(shè)計(jì).pdf

1、相變材料能夠通過(guò)相變吸熱實(shí)現(xiàn)短時(shí)高發(fā)熱功率器件的冷卻，以及通過(guò)不斷的相變吸熱和放熱實(shí)現(xiàn)大波動(dòng)熱環(huán)境的溫度控制，該溫控機(jī)制對(duì)高功率大波動(dòng)等苛刻環(huán)境下的高精密設(shè)備的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義重大。但相變材料低的熱傳導(dǎo)系數(shù)限制了熱擴(kuò)散，嚴(yán)重影響了相變溫控能力的發(fā)揮。開(kāi)孔類多孔金屬（如金屬泡沫、微桁架材料等）比表面積大、導(dǎo)熱性能好、摻混能力強(qiáng)，是理想的相變換熱導(dǎo)熱增強(qiáng)體材料，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。然而，目前的研究主要集中于已有材料的直接應(yīng)用。實(shí)際上，多孔金

2、屬最大的優(yōu)勢(shì)是具有可設(shè)計(jì)性，本文以底面加熱的矩形溫控裝置為研究對(duì)象，從實(shí)驗(yàn)、數(shù)值分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)多個(gè)方面研究多孔金屬介質(zhì)作為相變溫控導(dǎo)熱增強(qiáng)體的最優(yōu)梯度設(shè)計(jì)，給出解析表達(dá)的梯度設(shè)計(jì)方案，通過(guò)與優(yōu)化獲得的最優(yōu)梯度設(shè)計(jì)方案對(duì)比驗(yàn)證了本文所提出的梯度設(shè)計(jì)方案的有效性。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）內(nèi)嵌梯度多孔金屬介質(zhì)相變溫控實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案有效性的最可靠手段。本文首先設(shè)計(jì)并搭建了一套完整的相變換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以獲得整個(gè)相變過(guò)程

3、關(guān)鍵點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線；其次，設(shè)計(jì)了微桁架形式的多孔金屬材料，通過(guò)改變桿徑大小實(shí)現(xiàn)孔隙率的變化，并利用增材制造技術(shù)進(jìn)行了制備，在其中填充了石蠟形成相應(yīng)的試驗(yàn)件;最后,利用所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),試驗(yàn)測(cè)試了在不同熱源分布條件下兩個(gè)典型試驗(yàn)件的溫控情況。結(jié)果表明：在質(zhì)量相同的條件下，不同孔隙率的分布對(duì)相變溫控有顯著影響。因此，通過(guò)合理的梯度設(shè)計(jì)，有望提高相變溫控的效果。
　　（2）內(nèi)部自然對(duì)流對(duì)多孔金屬介質(zhì)相變溫控性能的影響。在模擬整個(gè)

4、相變傳熱過(guò)程中考慮液態(tài)相變材料自然對(duì)流的影響是一個(gè)時(shí)間相關(guān)的流固耦合傳熱問(wèn)題，計(jì)算量巨大，難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過(guò)程中的迭代分析求解。如何考慮自然對(duì)流的影響是進(jìn)行模型簡(jiǎn)化的關(guān)鍵。本文以底邊加熱的相變散熱裝置為對(duì)象，利用數(shù)值方法研究了金屬泡沫對(duì)液態(tài)相變材料自然對(duì)流的抑制程度。對(duì)比了不同孔隙率、不同孔密度下自然對(duì)流對(duì)溫控性能的影響。結(jié)果表明：孔隙率是影響溫控性能的主要因素。液態(tài)相變材料自然對(duì)流對(duì)溫控性能影響較小，在分析時(shí)可以完全忽略。
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