基于梯度孔隙率金属泡沫的复合相变单元储热性能数值模拟

向相变材料中添加金属泡沫可以解决相变材料低导热率引起的换热效果较差等问题,提高系统的整体蓄热效率。然而,复合相变材料的传热性能受金属泡沫孔隙率分布的影响较显著,为进一步提高相变储能单元的传热性能,本工作基于低孔隙率金属泡沫-相变材料(PCM)复合储能系统,建立了一种新的梯度孔隙率金属泡沫结构,通过数值模拟方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、储能速率、储能总量进行分析,系统研究了孔隙率沿加热方向负梯度分布、正梯度分布对复合相变材料熔化速度和储热性能的影响。研究结果表明,负梯度孔隙率结构可以进一步提高储能系统的储热效率,其中,孔隙率梯度为0.12(案例S-6)时增强效果最显著。在熔化周期的不同阶段,负梯度孔隙率对复合材料的传热均有不同程度增强,对于S-6,在1000 s、2000 s、2600 s时,熔化率相较于均匀孔隙率结构分别增加了0.67%、2.31%、9.90%;随着孔隙率梯度的增加,相变材料的热性能提高越显著,与均匀孔隙结构相比,改进的负梯度孔隙率结构其完全熔化时间最高可缩短7.32%,储热速率可提高8.02%。对于正梯度孔隙率结构,其对熔化速度没有显著影响,但是储热总量可提高0.49%。

高速冲击载荷下梯度金属泡沫夹芯梁的动态响应与失效

采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究,分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗高速冲击性能,结合三点弯曲实验,研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明:密度梯度对结构的失效过程和失效模式有着明显的影响,且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用;当冲击条件不足以使得均质芯材发生压缩时,均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形,低强度芯层位于前两层的梯度结构随着冲击强度的变化出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度较低时,梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力;当冲击强度大于临界值时,均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理地设计密度梯度实现逐层压缩吸能,能够有效的提升防护结构的抗冲击性能。

航天器多功能结构传热特性的实验研究(英文)

针对航天器结构高性能、轻质化和集成化的发展要求,设计了集电路控制,热管理功能和结构承载功能于一体的多功能结构。此种结构分别采用柔性电路板控制热仿真多芯片模块,作为多功能结构的热源;碳碳材料作为热倍增器;复合材料蒙皮和金属泡沫芯子的夹层结构作为承载结构,实现了结构和功能的集成。同时,为了研究多功能结构的传热特性,进行了热真空实验,实验测量了热流密度和温度梯度。结果表明这种新型的结构可以消散飞行器多芯片模块产生的热量,碳碳热倍增提供了一种减小温度梯度的新方法,同时这种多功能结构减少了结构的体积,降低了结构的质量。

梯度渗透率金属泡沫管内的流动与传热特性分析

针对传统采用完全填充的金属泡沫强化管容易引起系统压降大幅增加的问题,对梯度填充这一新型填充方式开展了数值模拟,所研究的换热管径向上填充有两层不同渗透率的金属泡沫。研究获得了梯度渗透率金属泡沫管内的流动与传热特性规律。研究结果显示:梯度填充管的传热和阻力性能与渗透率梯度直接相关;相比于单一渗透率填充管,当渗透率梯度大于10时,梯度填充管的综合换热性能可以提高2倍;当渗透率梯度小于0.1时,综合换热性能降低27%。为了达到更好的换热效果,管壁附近金属泡沫的渗透率至少需要是管中心区域的10倍。研究结果可为新型高效、低阻、紧凑式换热器的设计研发提供理论指导。

冲击载荷下径向密度排布对泡沫金属力学性能影响的研究

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,并用有限元软件,对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响,发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比,其两端的应力值均较小,可同时保护冲击端、支撑端物体;径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小,能够保证物体受力稳定;几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫,能量吸收能力对密度梯度大小不敏感,对梯度方向敏感,径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫;平均相对密度越大,径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。

梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离特性

利用实验手段对梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离行为特性进行了探究。实验工质为去离子水、浓度分别为400 mg·L^(-1)和800 mg·L^(-1)的正庚醇溶液。梯度金属泡沫材质为铜和镍,铜泡沫层和镍泡沫层厚度均为4 mm,孔密度分别为40 PPI和10 PPI。实验结果表明:添加正庚醇会使池沸腾气泡脱离直径变小,数目减少,但其浓度变化影响不明显;在热通量6.6×10~4 W·m^(-2)沸腾时,观察到气泡脱离金属泡沫骨架阻碍两种常见运动形式:气泡破裂和整体滑移;当热通量增加到1.0×10~5 W·m^(-2)时,相邻的两个气泡在梯度金属泡沫内合并成一个大气泡脱离金属泡沫。

基于Lagrangian分析法的梯度泡沫金属动态力学行为研究

采用Lagrangian分析法,对梯度泡沫金属在高速冲击下的变形机理和应力响应进行研究。基于3D-Voronoi技术,构建了5种不同密度梯度的泡沫金属细观有限元模型,并进行了高速冲击下的Taylor数值实验,得到不同密度梯度泡沫金属的质点速度分布规律。采用Lagrangian分析法并结合数值实验结果,研究了高速冲击下密度梯度参数对泡沫金属的局部应变分布、应力分布以及冲击波传播与衰减规律的影响。结果表明:负密度梯度泡沫金属比正密度梯度泡沫金属具有更强的抵抗变形能力,且密度梯度参数越小,变形程度越小;负密度梯度泡沫金属的局部压实应力呈线性减小,最大局部压实应力随着密度梯度参数的减小而增大,在冲击端附近可以承受更大的载荷;正密度梯度泡沫金属的局部压实应力分布呈平台状,其最大局部压实应力小于负密度梯度泡沫金属。

金属泡沫材料压缩响应模式转变分析

金属泡沫材料的压缩响应是微结构相关的,低无序时以单一塌缩带的形核和扩展为主,高无序度时,主要是扩展能力很弱的弥散塌缩带形核所控制。基于考虑材料微结构Weibull分布的应变梯度塑性模型,探究了胞孔塑性屈曲时,相对强度改变和相对密度改变对变形模式转捩的影响。研究发现:当相对密度改变量为定值时,随相对强度改变量的增大,变形模式的转变在较低的无序度下发生。而强度改变量为定值时,相对密度改变量的变化对多孔材料压缩变形模式转变的临界无序度无确定的影响规律,但变形模式转捩点的应力水平随相对密度改变量的减小而下降。

尺寸不规则度梯度分布参数对泡沫金属单轴拉伸力学性能的影响研究

采用数值模拟的方法,定量研究了尺寸不规则度参数为连续梯度分布时,泡沫金属在单轴拉伸下的力学性能;通过对比形状不规则度相同但尺寸不规则度不同的模型结果,明确了尺寸不规则度是影响泡沫金属力学性能的重要因素。结果表明,不规则度连续梯度变化的3D Voronoi模型是横观各向同性材料,单轴拉伸时胞孔局部变形显著;梯度参数影响梯度方向和非梯度方向的力学性能,且对梯度方向的单轴拉伸屈服强度和破坏强度尤其突出,呈二次函数关系,存在最优解。通过对比尺寸不规则度不同但形状不规则度相同的3D Voronoi模型单轴拉伸力学性能,发现梯度方向比非梯度方向的屈服强度和破坏强度受尺寸不规则度的影响更明显,不同于单轴压缩,尺寸不规则度参数是影响单轴拉伸力学性能的重要细观结构参数。对细观结构对多胞材料力学性能的影响研究进行了完善,有助于多胞材料的优化设计。

基于3D Voronoi模型形状不规则度组合梯度泡沫金属的动态冲击力学性能研究

泡沫金属的力学性能与其细观结构参数密切相关。四个形状不规则度参数梯度组合的3D Voronoi结构模型被用于开展动态冲击数值仿真实验,探究不同冲击速度下形状不规则度梯度组合类型对泡沫金属的变形特性、荷载-位移和能量吸收特性的影响。结果表明,冲击速率仅在临界速度范围内时对形状不规则度梯度组合模型的力学性能有明显影响,沿着冲击方向形状不规则度从小到大梯度组合的模型具有最优的能量吸收能力。

均匀及梯度泡沫金属复合PCM熔化特性模拟研究

基于六面通圆孔的均匀泡沫金属结构,构建了泡沫金属复合相变材料(PCM)三维模型,采用高性能计算显卡(GPU)加速的多松弛时间格子玻尔兹曼方法模拟了均匀及梯度泡沫金属复合PCM的瞬态熔化过程。结果表明:随着均匀泡沫金属孔隙率的降低,复合PCM的传热速率提高,潜热储能的能力减弱;对于固定平均孔隙率的不均匀泡沫金属,孔隙率沿导热方向上递增的模型具有最佳的强化传热效果,其完全熔化时间比填充均匀骨架模型和孔隙率在导热方向上递减的骨架模型分别缩短了4.2%和25%,当孔隙率梯度变化方向与导热方向一致时,在高温壁面附近填充低孔隙率泡沫金属能显著强化传热;当两者方向垂直时,熔化速率取决于平均孔隙率,与梯度分布几乎无关。

梯度孔密度金属泡沫的池沸腾传热性能研究

实验研究了梯度孔密度通孔金属泡沫的池沸腾传热性能。工质为去离子水,梯度孔密度金属泡沫材质为铜和镍,孔隙率为0.98,泡沫厚度为4-14mm。实验结果表明：相比于单层泡沫,梯度孔密度金属泡沫显著的增强了沸腾传热能力,但增强程度受孔密度变化梯度、泡沫厚度和材料的影响;梯度孔密度泡沫的池沸腾传热性能随着表面活性剂SDS（sodium dodecyl sulfate）浓度的增大而减小,而且SDS降低了梯度孔密度金属泡沫的临界热流密度;添加Al2O3纳米颗粒严重的削弱了梯度孔密度铜泡沫的池沸腾传热能力。

点阵结构对具有密度梯度的三维空心球泡沫冲击性能的影响

该文研究了简单立方排布(SC)、体心立方排布(BCC)以及面心立方排布(FCC)三维空心球泡沫的冲击动力学特性,讨论了不同点阵结构对具有密度梯度的三维金属空心球(MHS)泡沫动态性能的影响。研究结果表明,空心球排布结构的不同,改变了局部空心球的受力情况和变形模式(两球压缩模式和五球压缩模式以及二者之间的转化)。面心立方排布MHS泡沫单位质量的能量吸收率高于体心立方和简单立方排布MHS泡沫。同时,面心立方排布的3D结构更敏感于空心球阵列密度的变化。该文的研究将为多孔材料冲击动力学性能的多目标优化设计方面提供新的设计思路。

梯密度金属泡沫池沸腾换热性能的实验研究

本文实验研究了去离子水中梯密度通孔金属泡沫的池沸腾换热性能。梯密度金属泡沫材质为铜和镍,孔隙率为0.98,泡沫厚度为4~14 mm。实验结果表明,相比于单层泡沫,梯密度金属泡沫显著的增强了沸腾换热能力,但增强程度受孔密度变化梯度、泡沫厚度和材料的影响;往去离子水中加入表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）能明显的改变梯密度金属泡沫的池沸腾换热性能。

二维梯级多孔强化相变储热装置熔化过程研究

本文针对自然对流作用下方腔内部的非均匀熔化现象,提出了一种横向和纵向双维度梯级布置多孔介质的新型结构。研究了侧壁加热条件下分层数和孔隙分布对熔化性能的影响。结果表明,二维梯级布置可以在一维梯级布置的基础上进一步缩短6.9%的熔化时间。而且随着孔隙率梯度和梯级分层数的增大,完全熔化时间先减小后增大。在孔隙率梯度为2%且梯级分层数为3时达到最佳强化效果,其相对于均匀布置可以减少10.5%的熔化时间,提升9.7%的储热速率。

泡沫金属弹性变形尺度效应的理论与数值研究

泡沫金属的力学性能强烈依赖于内部结构。当构件特征尺寸与胞孔特征尺寸d处于相同数量级时,表现出明显的尺度效应。为了揭示这种尺度效应的力学机理,研究了泡沫金属试件的剪切和纯弯曲试验。一方面,利用应变梯度弹性理论给出解析解,其中包含了材料内禀尺寸lc这一关键模型参数。另一方面,把每段胞壁视为铁木辛柯梁,从而建立梁链网作为泡沫金属的微观力学模型。通过应变能等效原理建立应变梯度连续体和基体金属材料弹性参数之间的关系。发现,边界层的约束条件对泡沫金属的力学响应有重要影响。弯曲问题中,只有对离散模型上下表面施加恰当的附加转角约束后,应变梯度理论解与链网模型数值解才能够吻合。这为理解应变梯度理论中的非传统边界条件提供了一个直观的实例。通过数据拟合,得到了内禀尺寸lc与胞孔特征尺寸d之间的关系,与文献结论相符。