航空器复杂密闭空间自然对流换热及其热分析研究

摘要

自然对流换热是大型航空飞行器内一种重要的传热方式，并且随着高功率电子器件在机载电子设备系统中的广泛应用，自然对流换热对其温度场的形成机制与特性的影响愈发重要。由于航空器系统需在不同温度环境下进行工作，为了保证设备的可靠性，需要对其温度进行控制。目前，大型航空器热分析中受计算资源限制常采用实验关联式来求解对流换热问题，其计算结果偏差较大；而 CFD软件虽然在流动换热求解方面具有优势，但针对大型复杂空间内的多体、非稳态、分散热源作用下的导热-对流-辐射耦合换热问题，求解效率低，甚至不能开展。因此，研究复杂封闭空间内的自然对流特性，掌握各种因素下空间内换热系数及温度范围预测方法，对航空器热设计具有重要意义。本文以大型航空飞行器热分析为研究背景，在开展不同条件和结构下密闭空间内自然对流换热特性分析的基础上，分析了不同热边界作用时复杂封闭空间内自然对流-导热-辐射耦合换热问题，主要研究内容包括：
　　(1)对比分析了自然对流换热实验关联式与精确CFD仿真对温度场计算的影响。在相同的定解条件下，基于商用CFD软件FLUENT和热网络法软件SINDA/FLUINT对多体、分散热源作用下的封闭区域开展了温度场数值仿真，发现两种结果偏差明显。
　　(2)对多体系统中存在导热、辐射、对流的耦合换热问题，通过对SINDA/FLUINT和FLUENT软件的二次开发，实现了联合应用热网络法和CFD求解技术对多体系统耦合换热问题的瞬态分析，并考虑大型航空器舱内容积大、计算量大的特点，进一步分析了二维简化情况与三维尺度下自然对流换热系数对温度场仿真的影响。
　　(3)针对某大型航空器复杂封闭区域，基于3DXML格式的演示数模结合设备质量、材质等信息，利用 CAD/CAM软件 CATIA实现了几何模型再现，并采用FLUENT&SINDA/FLUINT两软件协同运行对该大型复杂空间内的多体、非稳态、分散热源作用下的耦合传热过程进行热分析计算，对比分析了对流换热系数修正前后、不同热边界等情况对系统温度场的影响。
　　通过研究，为大型复杂封闭空间内自然对流及热分析提供了一定的设计参考，得出了一些对工程应用有价值的结论和解决方案。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 腔内自然对流研究现状

1.3 封闭腔多体系统热分析研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 计算平台及几何建模

2.1 热网络法简介

2.2 CFD软件简介及理论基础

2.3 CAD/CAE软件介绍及几何建模

2.4 当量导热模型

2.5 本章小结

第3章 封闭腔内自然对流修正分析

3.1数理模型

3.2 区域离散及计算适应性分析

3.3 FLUENT与SINDA/FLUINT软件计算结果对比分析

3.4 基于FLUENT软件的多体系统流固耦合模拟分析

3.5 本章小结

第4章 多热源封闭系统热分析

4.1 热环境形成机制分析

4.2 蒙皮外表面换热系数的确定

4.3复杂形体下的耦合传热模型

4.4 初始温度的影响

4.5 航空器在高空高速环境下的热分析

4.6 航空器在低空高速环境下的热分析

4.7 航空器在中空高速环境下的热分析

4.8 本章小结

结论

参考文献

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