金属编织材料发散冷却数值模拟研究

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1、中图分类号：V231.1论文编号：102870215-S093学科分类号：080702硕士学位论文金属编织材料发散冷却数值模拟研究研究生姓名杨昕学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向传热与传质指导教师金峰副教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一五年五月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringNumericalSimulationontheTranspirationCoolingofMetalPorousMaterialsATh

2、esisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyYangXinAdvisedbyAssociate-Prof.JinFengSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMay，2015南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着航空发动机的性能的不断提高，新型的高效发散冷却材料与技术越来越受到高度关注,金属编织丝网多孔材料作为发散冷却的载体，了解其内部流动与换热规律非常重要。本文基于宏观多孔介质研究方法，对堆叠平纹型金属编织丝网内的流动换

3、热进行了数值仿真研究，并重点分析了局部非热平衡情况下几种边界条件以及局部孔隙堵塞等失效情况下对冷却效果的影响。首先，对多孔介质流动换热特性、相关参数及研究方法作了系统综述，建立了多孔介质物理与数学模型；应用基于动量插值的同位网格，构建了控制方程的离散形式；利用ADI-TDMA的代数求解方法和C语言，编制了含局部非热平衡条件的多孔介质流动换热计算程序，并对程序运算结果进行了检验。其次，根据堆叠平纹型金属编织丝网结构参数，建立了仿真几何模型；选取具有代表金属丝网编织结构单元，应用Fluent软件，对不同结构参数下三维堆叠平纹型金属编织多孔材料进行了流动与换热仿真与分析，研究发现：内部压力及速

4、度沿程线性下降，结果符合Darcy-Forchheimer模型的关系式，并与Armour关联式吻合；内部温度及当地Nu数沿程成指数下降，Nu数随着Re数的增大而越大，相同Re数下比表面积越大其换热系数越大。再次，对于发散冷却中数值模拟中的边界条件进行了分析，将发散冷却平板的内外部流场与温度场进行了耦合计算，研究发现：当冷气注入率为2%时，冷却效率最高值已达到了38%。最后，对金属编织多孔材料局部堵塞等流动失效工况进行了仿真，局部孔隙的几何变化会导致出口流量不均，表面局部堵塞会在热端表面造成了局部高温区，内部堵塞也会造成冷却流速不均而引起表面温度变化，计算发现：模型中1mm×1mm的堵塞区

5、会影响壁面10mm范围的温度变化。研究结果对航空发动机中，以金属编织丝网结构为载体的新型高效发散冷却材料技术的进一步研究提供了参考。关键词：发散冷却，金属编织，换热，多孔介质，局部非热平衡，数值模拟I金属编织材料发散冷却数值模拟研究AbstractSincetheaero-engineperformanceisrequiredincreasinghigher,thenewmaterialsandtranspirationcoolingandotherhighefficientcoolingtechnologyhaveattractedalotofinterest.Theresearcho

6、nflowresistanceandheattransfercharacteristicsofporousmaterialssuchaswovenscreensareimportant,sincetheyarethevectorsoftranspirationcooling.Theflowandheattransferofstackedplainwovenscreensareinvestigated.Thenthenumericalsimulationoftranspirationcoolingareappliedbasedonthemacroscopicporousmedia,with

7、oflocalnon-equilibriummodelisconsidered.Theboundaryconditionsarefocusedandtheinnerandexternalheattransferofintranspirationcoolingprocessareinvestigated,theinfluenceofpartialblockandotherporeinvalidsituationarestudied.F