面向相变温控的非均匀多孔金属材料导热增强体优化设计方法

摘要

相变材料在发生物态变化时能吸收/放出大量热量(相变潜热)同时保证材料温度不变，该机制对服役于极为苛刻热力环境下的航空航天装备的温控系统设计意义重大。由于相变材料的导热系数很低，导致在热源附近的相变材料能量堆积，严重限制温控效果的发挥。高孔隙率金属多孔材料比表面积大、导热性能好、掺混能力强，轻量化程度高，可设计空间大，是一种性能优异的相变换热导热增强体材料。本文针对两类面向相变温控的非均匀多孔金属材料导热增强体结构，包括多孔金属孔隙率梯度变化结构和金属翅片与多孔金属复合结构，建立了相应的优化设计方法。具体研究内容如下： （1）相变温控导热增强的线性梯度多孔金属优化设计。本章研究建立了相变温控导热增强的线性梯度多孔金属优化设计的模型，该优化模型以线性孔隙率分布为设计变量，以多孔金属用量为约束，以关键位置的温度最低为设计目标，采用考虑相变过程的多孔介质两方程模型进行性能评估。首先，通过一个简单算例，证实了该优化问题是典型的多峰值优化问题，从而说明采用遗传算法（即智能搜索算法）求解的必要性。其次，通过遗传算法对两个优化模型进行求解，证实了梯度设计能够大幅度提高多孔金属介质导热增强的相变温控性能。 （2）基于形函数参数化的相变温控非均匀多孔金属导热增强体优化设计方法。相变传热过程的数值仿真计算量大，且优化本身又是一个多峰值问题，需要采用智能优化算法求解。因此，实际优化问题的计算规模巨大。为此，本文提出了基于形函数参数化的相变温控非均匀多孔金属导热增强体优化设计方法。典型的数值算例表明，仅通过少数几个单元（即较少的设计变量）即能很好地描述复杂结构的梯度变化，获得显著的性能提高。通过增加节点的个数，可以使得优化设计效果更好。最后，通过对三个算例的优化，验证了本章建立的优化设计方法的有效性。 （3）多孔金属导热增强型相变温控装置的自然对流强化设计方法。相变换热过程包括导热和对流两种传热机制，提高相变换热性能的可能途径是在不降低导热性能的前提下增强自然对流。本章针对底部加热的相变温控器，提出了一种通过提高融化后的相变材料的自然对流来改善相变传热性能的有效方法。该方法通过合理地将翅片嵌入多孔金属材料中，达到增强自然对流的目的。对几种不同的翅片结构进行了分析比较，结果表明引入翅片能增强相变材料融化过程中的自然对流，加快融化过程，从而提高相变换热性能。在导热增强体质量一定的前提下，该方法可使相变温控性能提高20%以上。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 相变温控技术及应用

1.3 多孔金属导热增强技术

1.4 梯度多孔金属介质

1.5 本文主要工作

2 相变温控导热增强的线性梯度多孔金属优化设计

2.1 优化问题描述

2.2 分析模型有效性验证

2.3 优化算例及讨论

2.3.1三层多孔金属相变导热增强体设计

2.3.2多孔金属单向梯度优化设计

2.3.3多孔金属二维梯度优化设计

2.4 小结

3 基于形函数参数化的相变温控非均匀多孔金属导热增强体优化设计方法

3.1 基于形函数插值的梯度参数化描述方法以及优化问题

3.2 多孔金属相变温控导热增强的数值分析模型

3.3 数值算例及讨论

3.3.1侧边热源下多孔金属导热增强体梯度设计

3.3.2点热源下多孔金属相变温控装置梯度优化设计

3.3.3方腔相变温控装置梯度优化设计

3.4 小结

4 多孔金属导热增强型相变温控装置的自然对流强化设计方法

4.1 问题描述

4.2 分析方法

4.3 分析模型有效性验证

4.4 结果与讨论

4.4.1自然对流在相变过程中的分析

4.4.2加入金属翅片对于自然对流的影响

4.4.3翅片含量对于温控性能的影响

4.4.4翅片高度对于温控性能的影响

4.5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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