高流速下泡沫金属内流动及传热特性的数值研究

摘要

在航空工业中，随着飞机飞行速度的提高，气动加热现象使得发动机进气量减少，阻碍了发动机功率的进一步提高，因此降低进气温度，提高进气量对实现飞机高超声速飞行以及高机动性能具有重要的意义。利用开孔金属泡沫孔隙率高、对气流扰动大、换热比表面积高、抗震能力强等一系列优点所形成的紧凑式泡沫金属换热器具有低压阻、大热流通量、结构紧凑、轻量化等优点，能够以较小的压力损失获得较高的换热效率，是实现发动机进气预冷却的有效方法。然而，在现有多孔泡沫金属的研究中，大多数都只对较低流速下的泡沫金属内流动和传热特性进行了研究，而对高流速下泡沫金属换热器的构效关系和综合性能研究不足，高流速下泡沫金属换热器的设计尚缺乏理论指导。 为了解决上述问题，本文采用计算流体力学方法（CFD）分别对典型规则类多孔结构和真实泡沫金属结构在4~90m/s宽速度范围内的流动和传热特性进行了研究，分析了多孔介质主要参数对流动换热的影响趋势，同时提出了多孔介质换热器结构设计的改进方向。具体内容包括以下几个方面： 研究了开尔文球缺结构的流动和传热特性，发现增大孔密度和减小孔隙率都有利于提高该结构的体积换热系数，鉴于减小孔密度会提高增加换热器单位体积内的质量，因此通过增加孔密度以提升强化换热能力是一种较好的选择。然而，球缺结构虽然换热能力较强，但喉口处压降过大使得综合性能较低，因此，在对压降要求较低时，球缺结构可作为可选的强化传热手段。 为了减小开尔文球缺结构的压降，研究了开尔文柱状结构的流动与传热特性，发现该结构的压降小于球缺结构，但换热效果也随之降低。在以综合效果进行评估时，发现得益于较小的压降，因此柱状结构的综合性能高于球缺结构。所以当压降作为换热器一项较为重要的指标时，柱状结构是强化换热手段中较好的选择。 利用工业CT扫描技术，对真实多孔泡沫进行了CFD研究，发现该结构内部流场错综复杂，产生的漩涡较为多样。在对流场的分析中，指出了漩涡产生的区域和类型。 对三种结构的换热、压降以及综合因子进行了对比，发现在计算流速范围内，泡沫金属结构的体积换热系数相比于其他结构较低，但不排除在更高流速下泡沫金属结构体积换热系数将高于其他材料的可能。以不同标准的综合因子对三种结构的综合性能进行了对比，发现球缺结构换热好但阻力损失也大，柱状结构在特定的流速范围内综合换热和流动后其性能最优，泡沫金属结构综合能力在更高流速下占优，预测可能适用于更高流速下的应用工况。 最后，综合以上研究结果，指出了孔隙率和孔密度对泡沫金属换热和流动的影响趋势，提出了在不同评价标准下应用三种结构的选取方案，并通过流场的对比分析，给出了提高不同结构强化换热能力的改进方案，对泡沫金属换热器的设计与优化具有一定指导意义。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 泡沫金属换热及流动特性的研究进展

1.2.1 泡沫金属简介

1.2.2 泡沫金属用于强化换热的优点

1.2.3 泡沫金属对流传热特性

1.2.4 泡沫金属换热及压降的实验研究

1.2.5 泡沫金属换热及压降的数值研究

1.2.6 现有研究内容的不足

1.3 本文研究内容

2 开尔文球缺结构的仿真研究

2.1 物理模型的介绍与建模

2.1.1 开尔文结构

2.1.2 开尔文球缺结构的建模及参数

2.2 控制方程与计算模型

2.2.1 控制方程

2.2.2 计算模型

2.3 计算域的建立和网格划分

2.4 边界条件、计算方法、评估方法及无关性验证

2.4.1 边界条件设置

2.4.2 计算方法

2.4.3 计算结果的评估因子

2.4.4 网格无关性验证

2.5 计算结果与分析

2.5.1 换热效率的评估

2.5.2 压降效果的评估

2.5.3 综合因子的评估

2.5.4 速度矢量场分析

2.6 本章小结

3 开尔文柱状结构的数值研究

3.1 物理模型的建模

3.2 控制方程与数学模型

3.3 计算域的建立、网格的划分

3.4 边界条件、计算方法及无关性验证

3.4.1 边界条件设置

3.4.2 计算方法

3.4.3 网格无关性验证

3.5 计算结果与分析

3.5.1 换热效率的评估

3.5.2 压降效果的评估

3.5.3 综合因子的评估

3.5.4 速度矢量场分析

3.6 本章小结

4 CT扫描真实泡沫金属的数值研究

4.1 CT扫描结构的获取及处理

4.1.1 CT型号及多孔泡沫材料参数

4.1.2 多孔泡沫结构的处理

4.2 计算结果与分析

4.2.1 换热效率的评估

4.2.2 压降效果的评估

4.2.3 综合因子的评估

4.3 对三种结构的综合对比

4.3.1 换热效果的对比分析

4.3.2 压降效果的对比分析

4.3.3 综合效果的对比分析

4.4 三种结构内部流场分析

4.5 物理模型的结构改进方案

4.6 本章小节

5 总结与展望

5.1 本文的内容总结

5.2 本文的主要创新点

5.3 展望

参 考 文 献

致谢

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