石墨泡沫炭基相变储能材料传热分析

摘要

根据美国国家航天局的统计,有90％的航空航天任务的失败都是由于热能无法及时传递而导致一些电子元器件失效所致,相变材料可以通过相变的方式吸收跟释放能量,将温度维持在相变点附近一个很小的变化范围内,但是一般潜热比较高的相变材料导热系数都很低,当受到急剧热载荷作用时,反而会加剧热量的累积,石墨泡沫炭相变复合材料能将石墨泡沫炭的高导热系数与相变材料的高潜热有效地结合起来,在温控储能方面有很广阔的应用前景。
　　本文首先对石墨泡沫炭的传热性能进行了分析,通过线性同余法产生随机数,采用Autocad VBA编程得到二维与三维随机泡沫几何模型,运用Fluent软件模拟了其有效导热系数,结果表明二维模型只能对泡沫结构的有效导热系数进行定性的研究,而三维的模型如果选择合适的随机因子,能很好的预估石墨泡沫炭的有效导热系数值,并且从结果可以看出,其有效导热系数主要取决于泡沫的孔隙率与均匀度,与孔径无关,孔隙率越低,均匀度越好,有效导热系数则越高。
　　其次,基于Fluent软件中的融化/凝固模块,对纯相变材料以及石墨泡沫炭相变复合材料的相变过程做了模拟分析,结果表明,泡沫炭的加入很大程度上提高了相变的速度,但是同时也减少了自然对流对相变过程的影响。之后研究了Ra数与Da数对复合材料融化过程的影响,结果显示Ra数与Da数越大,自然对流对相变过程的影响也就随之加大,融化速度也相应增快。同时通过Da数的表达式我们可以进一步得知泡沫结构孔径对相变过程的影响,孔径越大,自然对流的影响越强,融化速度也就越快。
　　最后本文对纯相变材料、翅片增强相变材料的以及石墨泡沫炭增强相变材料三种不同情况下的储/放热性能进行了对比分析,结果表明,石墨泡沫炭增强不论在储能与放热过程中都比其余两种有明显的优势,尤其在急剧热流作用下,这种优势更加明显,且由于石墨泡沫炭是靠增强材料的有效导热系数来提高储/放热性能,因此在航空航天领域许多无重力或者微重力的情况下,石墨泡沫炭增强相变储能材料具有更大的应用优势。

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第1章 绪 论

1.1论文的背景与意义

1.2相变储能技术国内外研究现状

1.3 相变材料/泡沫炭复合储能材料传热研究现状

1.3本文的主要研究内容

第2章 石墨泡沫炭相变复合材料的结构特征及材料性能

2.1相变材料的选择

2.2石墨泡沫炭

2.3石墨泡沫炭的结构参数

2.4 本章小结

第3章 石墨泡沫有效导热系数的数值模拟

3.1二维模型的建立与计算

3.2 3-D模型的建立与计算

3.3 本章小结

第4章 伴有相变的多孔介质内传热模拟研究

4.1相变传热基本理论

4.2 伴有相变的多孔介质内传热传质控制方程

4.3 计算模型的建立以及参数的设置

4.4 计算结果及分析

4.5 本章小结

第5章 石墨泡沫炭相变复合材料的储/放热效果及应用

5.1 数值分析模型

5.2 计算结果及分析

5.3导弹内部电子设备的散热实例分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢