一种新型冷却技术中应用多孔介质的机理研究

论文摘要

新型超级冷却技术是基于热驱动理论的一种新型冷却技术。通过前期研究发现,从增加结构强度和获得更好的换热效果的角度出发,可以在新型超级冷却技术中应用多孔介质。为了探索在新型超级冷却技术中应用多孔介质的可行性,本文展开了深入细致的研究。本文首先采用实验与数值模拟相结合的方法对重力场下单循环和多循环微小通道内流体的热驱动进行比较研究,发现随着循环通道的增加,热端壁温起伏变化减小,温度分布逐渐均匀化,而且通道高度与冷热端间距的比值h/w的变化对通道换热也有影响。最终研究结果表明多循环通道确实比单循环通道具有更好的换热效果,因此可以在新型超级冷却技术中应用多孔介质来代替通道形式,在增加结构强度的同时达到增强换热的效果。新型超级冷却技术中应用多孔介质的想法得到验证以后,本文便对离心力场下装有多孔介质的封闭腔体内流体的流动和换热展开了研究。本文运用线性稳定性分析方法,考虑离心力、重力和哥氏力的共同作用,建立了离心力场下充满有多孔介质的封闭腔体中流体热驱动发生的条件。理论研究的结果表明,当离心力与温度梯度同方向时,只要满足Ra>7.81π2或Ra0>4π2,多孔介质中即可发生离心力、重力与哥氏力共同驱动的自然对流。此结论对于在新型超级冷却技术中应用多孔介质具有理论指导意义。接着本文分别从微观和宏观的角度进一步研究离心力场下多孔介质中流体的流动和换热。微观方面,运用数值模拟的方法,采用空间周期性模型,获得流体在多孔介质中流动的可视化流场和固体骨架表面的流动信息,进而分析利用多孔介质强化换热的机理。结果表明,固体介质的导热作用和流体在孔道中流动时形成的旋涡均使多孔介质达到了强化换热的效果。宏观方面,采用带有冷却通道的封闭腔体,在其中加入多孔介质,用实验和数值模拟相结合的方法研究离心力场下该封闭腔体中的热驱动换热现象,通过改变旋转速度,热流密度、冷却空气流量、多孔层固体骨架材质、多孔层孔隙率和多孔层厚度,进而研究这些参数对离心力场下装有多孔介质封闭腔体中流体热驱动的影响,同时还与无多孔介质的情况进行了比较。研究结果表明,在带

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 新型超级冷却技术及研究现状
• 1.3 多孔介质相关研究现状
• 1.4 本文研究的内容
• 第二章 重力场下单循环和多循环微小通道热驱动的比较研究
• 2.1 实验研究
• 2.2 实验工况的数值仿真
• 2.3 数值研究
• 2.4 小结
• 第三章 离心力场下多孔介质中热驱动的稳定性分析
• 3.1 当转轴与多孔介质相邻时热驱动的稳定性分析
• 3.2 当转轴与多孔介质远离时热驱动的稳定性分析
• 3.3 小结
• 第四章 离心力场下多孔介质内部热驱动的数值模拟
• 4.1 数值研究的假设和基本模型
• 4.2 计算结果和分析
• 4.3 小结
• 第五章 离心力场下带冷却通道的、装有多孔介质的封闭腔体中热驱动的实验研究
• 5.1 实验装置和试验件
• 5.2 实验工况
• 5.3 实验结果和分析
• 5.4 实验误差分析
• 5.5 小结
• 第六章 离心力场下带冷却通道的、装有多孔介质的封闭腔体中热驱动的数值研究
• 6.1 实验工况的数值仿真
• 6.2 数值研究
• 6.3 小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文的研究结论
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 附录1 部分计算结果图
• 附录2 转轴与多孔介质相邻时求解扰动量方程
• 附录3 转轴与多孔介质远离时求解扰动量方程