廉 帥 王 正 王 璐

（大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，大連 116024）

點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)是一種多孔有序微結(jié)構(gòu)材料，具有良好的減震緩沖性能，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和剛度，是當(dāng)今世界的前沿?zé)狳c(diǎn)研究材料[1]。點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)主要由梁桿單元組成，主要分為正四面體、金字塔型和kagome型[2]。選擇合理的冷卻介質(zhì)可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好的主動(dòng)換熱，從而降低結(jié)構(gòu)表面的溫度，但仍需考慮結(jié)構(gòu)在不同的溫度載荷和壓力載荷作用下結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布狀況和局部破壞模式[3-4]。

1 建模方法

本文中點(diǎn)陣模型主要選擇四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。通過CATIA建立點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模型和流體域，對(duì)結(jié)構(gòu)各個(gè)表面進(jìn)行合理命名和邊界設(shè)定，得到模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 四面體點(diǎn)陣模型

將劃分好網(wǎng)格的模型結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Fluent中計(jì)算流場(chǎng)。由于冷卻水流動(dòng)速度較低，將流體模型設(shè)置為層流，打開蒸發(fā)冷凝模型，相變系數(shù)為0.2，蒸發(fā)溫度設(shè)置100 ℃，對(duì)結(jié)構(gòu)上壁面施加700 W·m-2的熱流載荷，冷卻液選擇20 ℃的水，進(jìn)口流速分別設(shè)置為0.5 m·s-1、0.75 m·s-1、1 m·s-2，其余壁面設(shè)置為絕熱壁面，選取結(jié)構(gòu)中心平面作為參考平面。冷卻結(jié)構(gòu)示意圖和參考平面，如圖2所示。

圖2 冷卻結(jié)構(gòu)示意圖和參考平面

2 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

通過Fluent得到四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在不同流速的冷卻介質(zhì)冷卻下的蒸汽速度矢量圖和蒸汽出口熱流量分布云圖，如圖3、圖4和圖5所示。根據(jù)結(jié)果，可以得出結(jié)論：隨著冷卻流速的提高，結(jié)構(gòu)整體在散熱過程中產(chǎn)生的蒸汽量顯著提升。在不同的冷卻流動(dòng)速度下，在蒸汽出口的熱流量分布狀況較為相似，最大熱流量也有較大提升。隨著冷卻液流動(dòng)速度的提高，結(jié)構(gòu)整體在冷卻過程中產(chǎn)生的蒸汽量越來越高。通過冷卻水相變蒸發(fā)，可為結(jié)構(gòu)提供良好的散熱功能。

圖3 冷卻流速0.5 m·s-1時(shí)的蒸汽速度矢量圖和蒸汽出口熱流量分布云圖

圖4 冷卻流速0.75 m·s-1蒸汽速度矢量圖和蒸汽出口熱流量分布云圖

圖5 冷卻流速1.0 m·s-1蒸汽速度矢量圖和蒸汽出口熱流量分布云圖

為了便于分析結(jié)果，取結(jié)構(gòu)中心平面為結(jié)果數(shù)據(jù)參考平面。通過tecplot得到中心平面上的壓力、溫度和冷卻水流速的分布云圖，如圖6、圖7和圖8所示。分析比較云圖結(jié)果可以得出結(jié)論：隨著冷卻流速的增加，進(jìn)出口的壓差增大，在蒸汽出口出的高溫區(qū)域增多，冷卻水發(fā)生相變比例增加；點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)流體的擾動(dòng)效果增強(qiáng)，整體流動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜。

圖6 冷卻流速0.5 m·s-1下壓力、溫度和冷卻水流速的分布云圖

圖7 冷卻流速0.75 m·s-1下壓力、溫度和冷卻水流速的分布云圖

圖8 冷卻流速1.0 m·s-1下壓力、溫度和冷卻水流速的分布云圖

3 四面體點(diǎn)陣換熱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

采用順序耦合的方式，將3組流場(chǎng)數(shù)據(jù)分別導(dǎo)出到靜力學(xué)模塊，通過交界面將流場(chǎng)壓力和溫度分布導(dǎo)入結(jié)構(gòu)表面，計(jì)算結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布云圖和變形狀況。對(duì)結(jié)構(gòu)下表面采取固定約束，模型結(jié)構(gòu)材料選取為結(jié)構(gòu)鋼。

通過分析應(yīng)力云圖，得到表1的數(shù)據(jù)。3種情況下的應(yīng)力極值位置均發(fā)生在多孔平板的孔隙位置，且高溫區(qū)域并未傳遞到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部。隨著流速的提高，結(jié)構(gòu)換熱效果變得更好，但在結(jié)構(gòu)表面由溫度梯度所引起的熱應(yīng)力越來越大，同時(shí)在結(jié)構(gòu)的4個(gè)邊緣頂點(diǎn)處產(chǎn)生較大的變形量。

表1 不同流動(dòng)速度下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

針對(duì)四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析，通過分析流固耦合結(jié)果可以得出結(jié)論：隨著冷卻液流動(dòng)速度的提高，結(jié)構(gòu)整體散熱性能顯著加強(qiáng)，同時(shí)進(jìn)出口的壓差增大，冷卻水發(fā)生相變比例增加，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)流體的擾動(dòng)效果增強(qiáng)，整體流動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱應(yīng)力也有所提高。