主动冷却热结构流固耦合传热及热响应计算研究

IMECH-IR > 流固耦合系统力学重点实验室

	主动冷却热结构流固耦合传热及热响应计算研究
英文题名	Numerical Study of Fluid-solid Coupled Heat Transfer and Thermal Response for Actively Cooling Structure
	穆丹
导师	张均锋
	2014
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	硕士
学位专业	工程力学
摘要	主动冷却技术是保证高热流结构安全工作的有效技术手段之一，可大大降低结构材料热破坏的风险。由于主动冷却结构服役的高热流、高温度梯度载荷环境，使结构传热过程及应力状态复杂多变，研究高热流下的主动冷却热结构流固耦合传热特性及结构热响应分析是进行热防护结构设计的重要组成部分。本文针对此建立了非稳定热流边界的流固耦合传热三维计算方法，并基于此方法对主动冷却结构耦合传热特性及热响应分析分别进行了研究。首先针对主动冷却的超燃冲压发动机燃烧室流固耦合传热问题，建立三维模型，采用流固耦合一体化传热计算方法，对其传热规律进行了研究。在此基础上计算了结构瞬时热响应并分析了其演化规律。通过结构温度、应力等准则对结构进行了优化设计，并得出冷却通道最优尺寸。通过结构瞬时热响应分析发现结构传热初期热应力值达到最大值，而后逐渐降低，从而对结构热应力强度校核提出了建议，进行结构瞬时热应力计算可以更准确描述结构应力变化规律，瞬时热响应计算具有重要的工程应用价值。针对流固耦合一体化传热计算繁杂和低效的缺点，提出了改进的流固耦合传热计算及热响应计算方法。采用变步长时间步迭代耦合方法，可以实现准确、高效的流固耦合传热计算，并实现准确的瞬时热响应计算。利用此方法进行了主动冷却单元的传热及瞬时热响应计算，研究了流固耦合传热过程，描述了结构及冷却剂温度及应力随时间的变化规律。通过与试验结果及流固耦合一体化计算结果的对比，验证了改进的流固耦合一体化传热计算方法计算的准确性和高效性。最后对于主动冷却的高超声速风洞喷管结构，针对轴向冷却二维结构、横向冷却二维结构及轴对称结构的不同喷管构型，进行了不同工况下的瞬时传热计算及热响应强度校核计算，通过温度分布、应力、变形等力学参数综合分析，对不同马赫数下的结构喷管构型、材料选择提出了设计建议，为工程设计提供参考。
索取号	31107
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48929
专题	流固耦合系统力学重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	穆丹. 主动冷却热结构流固耦合传热及热响应计算研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.

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