轻质点阵主动换热壁板热力耦合分析

摘要

高温结构的散热问题一直是工程领域普遍关注的问题，尤其是在航空航天领域，随着新一代航天飞行器朝着更快、更轻量化方向的逐步发展，飞行器服役时的载荷环境变得更加复杂、更加恶劣。因此，对结构的设计布局提出了更高的要求，既要求结构具有良好的散热性能以确保在高温下不被烧蚀，又要使其满足一定的强度刚度等以实现承载功能。为了探究能同时满足散热、承载以及轻量化等要求的结构，本文提出了新型的点阵主动换热壁板结构，这种结构是将冷却通道集成到点阵夹芯结构的面板中，使其既能充分发挥点阵结构的轻量化、高比刚度、高比强度等优势，又能很好地实现冷却通道的流动换热性能。因此，该结构是一种较理想的换热结构，需对其进行以下几个方面的研究：
　　首先，采用Ansys-workbench软件平台对点阵主动换热壁板结构和传统的槽道式冷却结构的换热性能和热力耦合性能进行了模拟；以结构重量最轻、温度最低、应力最低以及水泵损耗功率最低为衡量指标，分别对冷却介质的流速、冷却通道的横截面积以及盖板的厚度进行了初步的优化设计。
　　其次，设计出内部含条状和格状两种拓扑构型冷却通道的点阵主动换热壁板结构，研究了两种结构在恒定热流载荷作用下的温度场分布；采用顺序耦合方法求解结构的热力耦合问题，重新定义结构的网格属性，将上述得到的温度载荷作为结构分析时的“机械”载荷施加于整个结构上，计算当静力载荷和热流载荷共同作用时，两种结构的应力场和位移场，通过对比数据选出相对最优的冷却通道拓扑构型。
　　然后，研究了含双层点阵主动换热壁板的高温隔热板结构的换热性能和热力耦合性能。建立结构有限元分析模型，分别取结构材料为TC4钛合金和304不锈钢，以热流载荷为单一变量，评价了两种不同材料结构的换热性能；采用顺序耦合方法，得出在热流载荷和静力载荷共同作用时结构的应力场和位移场，最终优选出合适的高温结构材料。
　　最后，以含点阵主动换热壁板的飞行器前缘结构为研究对象，分别建立尖端角度为10°、20°及30°的前缘结构有限元分析模型，考虑结构的对流边界条件，求解出结构温度场随热流载荷的变化趋势；研究了在热流载荷和气动压力共同作用时结构的热力耦合性能。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 传热基本理论及有限元分析方法

2.1引言

2.2结构的传热学分析

2.3流体计算分析综述

2.4 流体流动的基本方程

2.5有限元模型的建立及网格划分方法

2.6 确定边界条件及求解的设置

2.7 求解方法

2.8本章总结

第3章 主动换热壁板的换热性能分析

3.1 引言

3.2点阵主动换热壁板热结构分析

3.3点阵主动换热壁板优化设计

3.4点阵主动换热壁板结构换热性能分析

3.5本章总结

第4章 结构的热力耦合性能分析

4.1引言

4.2具有不同拓扑构型冷却通道的结构性能分析

4.3含双层换热壁板的高温隔热板结构性能分析

4.4含主动换热壁板的飞行器前缘结构性能分析

4.5本章总结

结论

参考文献

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