《輕質多功能金屬多層點陣夾層結構的隔/散熱機理研究》是依託西安交通大學，由馮上升擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：輕質多功能金屬多層點陣夾層結構的隔/散熱機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：馮上升
- 依託單位：西安交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
通過在多層金屬點陣夾層結構部分層芯內填充隔熱纖維、部分層芯內讓冷卻劑流過，本項目提出一種集被動隔熱和主動散熱於一體的輕質多功能防熱結構。以往研究集中於金屬點陣夾層結構的強制對流換熱、且主要針對單層結構，隔熱特性研究很少，尤其考慮多層金屬點陣夾層結構的隔熱與散熱耦合更是鮮見。本項目擬採用實驗、理論和數值計算相結合、宏細觀相結合的研究方法，研究新型隔/散熱結構的傳熱機理及重量最佳化方法，評價其隔/防熱的技術效能。重點揭示高孔隙率金屬點陣桁架導熱、中間多層面板、隔熱纖維、強制對流等對隔熱性能的影響機制；建立不同層芯內導熱、自然對流、熱輻射和強制對流耦合換熱的巨觀瞬態傳熱理論模型；通過對各層芯高度梯度設計、合理布置強制對流層芯位置等措施，使隔/散熱夾層結構重量達到最輕。本項目的研究將為金屬點陣夾層結構在各種民用和軍用工程中的廣泛套用奠定理論基礎和提供技術支撐。
結題摘要
多孔金屬是近年來隨著材料製備以及機械加工技術的迅速發展而出現的一類新穎多功能材料，具有重量輕、高比強、高比剛度、以及高效散熱的多功能特性，適合用於輕質承載的熱防護結構。針對某高溫氣體衝擊熱防護結構，提出一種由高溫層、隔熱層及多孔金屬承載層三部分所組成的熱防護結構，高溫層用於承受高溫氣體沖刷，隔熱層用於阻止熱量從高溫層向承載結構傳遞，多孔金屬主要用於承載，其內部可通風冷卻或者填充相變材料以降低內表面溫度。圍繞該問題開展了如下關鍵科學問題研究。第一，基於多孔介質模型，建立了多孔金屬夾層結構在熱氣衝擊射流複雜熱載荷和主動冷卻下的穩態和非穩態傳熱數值模型，搭建傳熱風洞和熱氣衝擊射流實驗台架，測量得到熱氣衝擊面上溫度分布以及衝擊中心點的溫度回響並驗證了數值模型的正確性。與傳統上的求解NS方程模擬方法相比，該模型預測複合熱防護結構的傳熱性能更加經濟快捷。第二，研究了多孔金屬內孔隙填充相變材料之間的局部傳熱行為，首次實驗闡述了兩者之間的局部熱平衡行為，並通過與孔隙結構直接數值模擬結果對比進行了進一步驗證。此外，本項目同時開展了多孔金屬的強化散熱機理研究。為克服金屬泡沫高孔隙率所致低等效導熱係數的缺點，提出在金屬泡沫內插入翅片強化導熱的思想。結果表明，在相同冷卻空氣流量和相同壓降條件下，採用翅片增強導熱後金屬泡沫的散熱性能較無翅片強化時提升了2-3倍。同時，通過分析流動煙霧可視化圖片，揭示了空氣進入泡沫和向外逃逸規律及其隨泡沫高度和衝擊距離的影響，從而揭示了相關參數對傳熱的影響機理。本項目研究成果可為開發基於多孔金屬的輕質防熱結構和緊湊式散熱器提供指導。
