超材料微结构流动和传热调控特性的热力学机理研究

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1、硕士学位论文超材料微结构流动和传热调控特性的热力学机理研究THERMODYNAMICANALYSISONTHEFLOWANDHEATTRANSFERCHARACTERISTICSOFMETAMATERIALSMICROSTRUCTURE于海燕哈尔滨工业大学2015年7月中图分类号：TK124学校代码：10213UDC：536.521.2密级：公开工程硕士学位论文超材料微结构流动和传热调控特性的热力学机理研究硕士研究生：于海燕导师：张昊春副教授申请学位：工程硕士学科：动力工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Cl

2、assifiedIndex:：TK124UDC：536.521.2DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHERMODYNAMICANALYSISONTHEFLOWANDHEATTRANSFERCHARACTERISTICSOFMETAMATERIALSMICROSTRUCTURECandidate：YuHaiyanSupervisor：Prof.ZhangHaochunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerEngineerin

3、gAffiliation：SchoolofEnergyScience&EngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要超材料微结构以其超常物理性质被应用于人工复合结构或媒质的多种领域，尤其是在水下减阻和战略防御领域，依托其减阻和热隐身特性更是具有极重要的战略意义。近年来随着现代精密仪器设备制造技术和微纳米尺度材料制备技术的发展，超材料微结构的研究日益深入，其流动和传热的调控机理成为国内外学者

4、研究的热点。本文构建了超材料微结构的流动和传热模型，应用FLUENT软件展开数值模拟计算。根据熵产最小化理论和（火积）耗散极值理论，分别提出了减阻率和热隐身率两个评价指标，来分别对其流动减阻和热隐身特性进行热力学评价，在能量的转移与利用角度对超材料微结构的流动和传热模型进行分析。在此基础上，分别研究不同尺寸和不同工况下的超材料微结构流动和传热特性，并最终讨论了结构尺寸、形状及工况的影响规律。最后，结合实际应用对超材料微结构的流动和传热模型结构分别进行了改进。为分析超材料微结构流动的减阻特性，以周期性微尺度沟槽结构为基本模型，根据所选结构及其工况，对微结构以

5、基础的矩形和三角形横截面为原始结构，分别构建不同横截面，不同尺寸参数，不同雷诺数下典型周期性微结构的流动模型，展开数值模拟，应用熵产理论进行热力学分析。结果表明：无论是齿形还是矩形截面微结构都能够起到较好的减阻效果，但齿形微尺度模型减阻效果更好些。随雷诺数的增大，减阻率曲线趋势呈抛物线形，即先增加后减小。对于矩形微结构，当纵向高度比的增加时，减阻率呈现先增加后减小的趋势。对于齿形微结构随着顶角角度的减小，减阻率逐渐增大。结合数值模拟结果的动力学和热力学特性，分析超材料微结构的减阻机理。基于超材料热隐身斗篷结构，分别构建分不同层数，不同传热温差的传热模型，并

6、展开数值模拟，以分析超材料微结构传热隐身特性。将所得数据利用（火积）耗散原理进行热隐身效果的分析，在能量的传递和耗散的角度对热隐身机理进行解释。结果表明：当传热进行到30秒之后，热隐身率随层数的增加呈现出先减小后增大的趋势。当热隐身斗篷涂层为8层时，热隐身效果最好，当热隐身斗篷涂层为2层时，热隐身效果最差。在不同的传热温差下，热隐身斗篷结构热隐身率随时间的增加呈现减小的趋势。传热温差为60K时，隐身效果最好，温差为100K时隐身效果最差。基于齿形和矩形流动模型，考虑到加工过程中的制造圆角与实际过程中的磨I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文损，对微结构的顶角及底

7、角进行磨损圆角改进，构建模型并展开数值计算，利用减阻率对其减阻效果给出热力学性能评判。基于圆环形的传热模型，针对高超声速飞行器等制导设备中较为常见的梭形和导弹形结构，分别设计了上述形状的热隐身斗篷模型，并展开计算，利用热隐身率对其热隐身性能给出热力学性能评判。该研究为不同情况下物体在流动和热隐身涂层的选择及设计提供了参照依据。关键词：超材料微结构；热力学分析；流动减阻；热隐身；改进设计II哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractMetamaterialmicrostructurewithitsextraordinaryphysicalproperti

8、esisappliedtovariousfieldsofartif