变厚度胞体壁多孔夹层材料的主动散热性能研究

2019-07-03 06:46董浩都琳张凯崔迪邓子辰

西北工业大学学报 2019年3期

董浩, 都琳, 张凯, 崔迪, 邓子辰

(1.西北工业大学理学院, 陕西西安 710072; 2.西北工业大学力学与土木建筑学院, 陕西西安 710072； 3.中国人民解放军 61267部队, 北京 101114; 4.复杂系统动力学与控制工信部重点实验室, 陕西西安 710072)

多孔夹层材料是构成胞体的边界和表面的支柱或平板相互连通成网络结构的材料[1]。随着现代工业装备技术的发展，多孔夹层材料以其优良的结构效率和隔热降噪等性能备受科研人员和工业技术人员的青睐，被广泛应用于现代建筑、军事装备和交通运输等诸多领域[2-4]。

近年来，多孔夹层材料作为一种超轻结构材料，其主动散热性能成为学术界关注的热点。Lemos等[5]研究了椭圆柱多孔夹层材料的传热系数及散热性能，并发现在相同的质量流率下，椭圆柱构型比方形构型具有更低的传热系数。Zhang等[6]采用了有限元与有限差分混合的快速数值方法，研究了在强迫对流条件下梯度金属多孔夹层材料的散热性能，并获得了固体壁面和流体沿着流动方向的温度分布。Ferkl等[7]分析了一维多孔夹层材料模型中的热传递，并给出了其等效热导率，为研究三维多孔夹层材料的热传递打下了基础。Mukherjee等[8]建立了具有多孔夹层结构的超燃冲压发动机的一维传热模型，并研究了其燃烧器表面的主动散热性能。Eusebio等[9]讨论了对流、辐射、传导边界条件下，胞体结构的性质对聚合泡沫金属和多孔金属材料的散热性能影响，并指出在高热通量情况下，相对密度对多孔材料散热性能的影响是最大的。杨微[10]基于FE-FDM方法对四边形蜂窝结构散热器的结构尺寸和拓扑构型进行优化设计，使蜂窝结构整体散热性能提高了50%左右。张凯等[11]考虑了对流换热的边界条件下多孔夹层材料的主动散热性能，发现正六边形构型的多孔夹层材料具有显著的主动散热性能优势。雷鸿等[12]利用场协同原理分析了泡沫材料的对流换热机制，并指出在使用泡沫材料作为散热器的核心部件时，应选择空隙大小较为均匀的材料。王浩[13]基于蒙特卡洛和热网络法建立了导热和辐射换热耦合条件下金属蜂窝结构的传热计算模型，指出减小蜂窝结构的孔隙率可以提高金属蜂窝结构热防护性能。吴一昊等[14]建立了考虑辐射效应金属蜂窝芯板的有限元传热模型，发现辐射换热是蜂窝结构的主要传热方式。

从以上研究成果可以发现，无论是理论计算还是实验分析，都是在等厚度胞体壁的条件下进行的，而自然和工程实例告诉我们，变厚度胞体壁多孔夹层材料具有更优的性能。因此，本文将通过推导变厚度胞体壁多孔夹层材料的散热系数，分析胞体壁厚度变化下，不同胞体构型多孔夹层材料的相对密度与散热系数的关系，进而研究胞体壁厚度变化对各种胞体构型多孔夹层材料的主动散热性能的影响。本文的研究可为变厚度胞体壁多孔夹层材料的结构优化提供一定的理论基础。

1 研究模型及其相关参数

1.1 研究模型

本文分析的散热器模型和多孔夹层材料胞体构型如图1和图2所示，其中胞体的构型分为三连通正方形、四连通正方形、四连通三角形、六连通三角形和六边形。上下壁面保持恒定温度Tw。速度为V0,温度为T0,压强为p0的冷却流体在入口处进入多孔夹层结构。在出口处,流体的温度为Te,压强为pe。Ωf,vf,μf,cp分别表示恒定压降下的流体密度、运动黏度、剪切黏度和比热容。