脉冲流体诱导振动的热流固耦合强化传热机理研究

摘要

随着科技的日益发展，多功能、大功率、小型化、高度集成化成为电子设备的发展方向，使得高密度电子产品的散热问题在工程实践中渐渐凸显出来。针对这一工程问题，本文研究提出了通过弹性支撑板的流体诱导振动的热流固耦合多场协同双向耦合作用强化壁面散热传热过程，并通过流道内弹性支撑薄板在脉动流动诱导摆动工况和流道内固定薄板脉动流动工况数值模拟的对比分析，揭示了弹性支撑板的流体诱导振动的热流固耦合多场协同双向耦合强化传热的机理，明晰了其关键调控参数，为其工业应用奠定了理论基础。本文主要取得了以下成果：
　　（1）本文提出了通过弹性支撑和脉动流动创设持续薄板摆动振动环境，为研究脉动流动诱导弹性支撑薄板大幅摆动的热流固耦合强化传热提供了技术手段，并研究了脉动流动诱导弹性支撑薄板摆动振动特性及其模态分析。研究表明，薄板在脉动流体激励诱导下的振动频率小于薄板的固有频率，其振动变形属于低阶模态变形。脉动流体诱导振动的薄板承受交变应力作用，其最大Mises当量应力小于薄板材料的许用应力，不会导致其流体诱导振动失效。
　　（2）通过流道内弹性支撑薄板在脉动流动诱导摆动工况和流道内固定薄板脉动流动工况数值模拟的对比分析，揭示了弹性支撑板的流体诱导振动的热流固耦合多场协同双向耦合强化传热的机理。研究结果表明热-流-固多场协同双向耦合作用的强化传热效应受控于弹性支撑薄板散热面的壁面边界摆动变形运动与近壁面流体的脉动流动的热-流-固多场协同双向耦合作用效应，其作用效应越强，则弹性支撑薄板散热面的壁面边界摆动变形运动对近壁流体速度场加速作用越强，弹性支撑薄板散热面的近壁热流层厚度越薄，弹性支撑薄板散热面与近壁流体的温差和漩涡湍流强度越大，必然导致热-流-固多场协同双向耦合作用的强化传热效应增强。
　　（3）弹性支撑板的流体诱导振动的热流固多场协同双向耦合作用强化传热随着脉动流动波幅和频率增加而增大，而随着薄板弹性支撑刚度的增加而减弱，提高脉动流动波幅和频率，或减小薄板弹性支撑刚度有利于增大流体诱导振动的振幅，增强热-流-固多场协同双向耦合作用的强化传热效应。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及其意义

1.2 国内外基于流固耦合作用的强化传热研究现状

1.3 本文研究的内容

第2章 流固耦合的理论模型

2.1 流固耦合概述

2.2 模型的控制方程

2.3 流固耦合问题的数值模拟的实现

2.4 基于ANSYS Workbench的流固耦合分析

2.5 本章小结

第3章 基于双向热流固多场耦合强化传热机理数值模拟

3.1 数值模拟的物理模型

3.2 数值模拟的有限元模型及边界条件

3.3 流体域模拟结果及分析

3.4 薄板的模态分析

3.5 双向流固耦合作用的强化传热的机理研究

3.6 本章小结

第4章 基于固体运动作用下强化传热的数值模拟研究

4.1 固体运动的物理模型

4.2 薄板摆动作用下强化传热的数值模拟

4.3 薄板摆动作用下强化传热的机理研究

4.4 薄板平移运动作用下强化传热的数值模拟

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 主要结论

5.2 本文展望

致谢

参考文献