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微尺度流动与传热特性分析及层板发汗单元温度场的计算

作　者: 侯永发
导　师: 刘伟强
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 工程热物理
关键词: 速度滑移温度跳跃总能双分布LBM 层板发汗热皱损
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

当流场特征尺寸为微米或亚微米量级时,一些常规大尺度流动中可以被忽略的因素可能在流动中占据主导地位,从而导致各种奇异的微尺度流动现象。本文主要研究滑移区微尺度流动的流动和传热特性,以及考虑微尺度效应下层板发汗单元耦合温度场的计算。本文分析了采用二阶速度滑移和温度跳跃边界的二维微尺度Poisuelle的流动和传热特性。无量纲滑移长度随Kn的增大而减小,阻力系数fRe随Kn减小。Br数表征粘性热耗散的强弱,当Br较小时,导热占主导地位,不同Kn温度分布为线性分布,且壁面处温度跳跃随Kn增大而增大;当Br较大时,不同Kn下,温度分布随Br的增大呈现明显的非线性。低温壁面处的Nu随Kn的增大而减小,说明了微尺度效应削弱了壁面处的导热;粘性热耗散的作用等效于热源作用,随Br的增大,粘性热耗散作用越强烈,低温壁面的导热量越大。高温壁面处的Nu随Kn和Br的变化存在奇点。采用总能双分布函数模型模拟了微尺度条件下的传热问题。从二维Couett流动的模拟结果可以看出,该模型可以有效地模拟粘性热耗散的影响;对二维微尺度Poisuelle流动的模拟进行分析,由于存在温度跳跃,使壁面处导热削弱,局部Nu数随Kn的增大而减小;微尺度效应加强了入口处的换热,入口段长度随Kn的增大而减小。建立层板单元和冷却剂温度场计算的耦合传热模型。当考虑微尺度效应时,层板最高温度高于忽略此效应的温度,且随着Kn的增大,二者的差别也随之增大。热浸深度随冷却剂流量的增大而减小,随单元层板的厚度增大而增大。热浸深度随层板的导热系数的增大几乎以线性方式增大,层板温度随之降低。建立层板单元稳定性分析的数学模型,根据层板温度的非线性分布,采用了抛物线分布假设,应用伽辽金法得到了层板单元的失稳临界厚度。考虑到层板发汗结构工作过程中会使某一流道堵塞,导致层板温度升高,因而需要的更大的层板单元厚度以保证稳定性不被破坏。临界厚度与材料泊松比和热膨胀系数有关,计算表明,高泊松比或热膨胀系数的材料更容易发生热皱损。

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表目录  6-7
图目录  7-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-21
  1.1 微尺度流动与传热的研究背景及意义  13-16
    1.1.1 研究背景  13-16
    1.1.2 流动区域划分  16
  1.2 计算模型的发展  16-19
    1.2.1 流体运动的数值方法  16-17
    1.2.2 格子Boltzmann 方法  17-19
  1.3 本文的主要工作  19-21
第二章考虑微尺度效应和粘性热耗散的传热特性分析  21-30
  2.1 物理模型及控制方程  21-23
  2.2 微尺度下流动特性分析  23-25
  2.3 微尺度下传热特性分析  25-29
  2.4 小结  29-30
第三章总能双分布格子Boltzmann 模型  30-53
  3.1 LBM 边界条件格式  30-33
    3.1.1 非平衡外推格式  30-31
    3.1.2 温度和热流边界的实现  31-33
  3.2 宏观尺度的模拟结果分析  33-40
    3.2.1 外力驱动Poisuelle 流  33-36
    3.2.2 速度入口二维Poisuelle 流  36-38
    3.2.3 Couett 流动  38-40
  3.3 微尺度传热特性分析  40-52
    3.3.1 模型参数的确定  40-41
    3.3.2 边界格式  41-45
    3.3.3 微Couett 流  45-48
    3.3.4 二维微Poisuelle 流动  48-52
  3.4 小结  52-53
第四章考虑微尺度效应的典型层板结构温度场计算及稳定性分析  53-64
  4.1 引言  53
  4.2 考虑微尺度效应的温度场分析  53-59
    4.2.1 物理模型及控制方程  53-55
    4.2.2 耦合边界条件的处理  55-56
    4.2.3 计算结果及分析  56-59
  4.3 层板单元非线性热应力皱损分析  59-64
    4.3.1 层板结构受热稳定性分析物理模型  60
    4.3.2 应用伽辽金法进行稳定性分析  60-61
    4.3.3 不同流道状态下稳定性分析  61-63
    4.3.4 物性参数对临界厚度的影响  63-64
第五章总结与展望  64-68
  5.1 文本工作总结  64-66
  5.2 下一步工作展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-74
作者在学期间取得的学术成果  74

微尺度流动与传热特性分析及层板发汗单元温度场的计算

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