復合點陣夾芯結構數值分析

廉 帥 王 正 王 璐

（大連理工大學 能源與動力學院，大連 116024）

點陣夾芯結構是一種多孔有序微結構材料，具有良好的減震緩沖性能，同時具有較高的強度和剛度，是當今世界的前沿熱點研究材料[1]。點陣夾芯結構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可以對結構進行良好的主動換熱，從而降低結構表面的溫度，但仍需考慮結構在不同的溫度載荷和壓力載荷作用下結構整體的應力分布狀況和局部破壞模式[3-4]。

1 建模方法

本文中點陣模型主要選擇四面體點陣結構。通過CATIA建立點陣結構模型和流體域，對結構各個表面進行合理命名和邊界設定，得到模型結構如圖1所示。

圖1 四面體點陣模型

將劃分好網格的模型結構導入Fluent中計算流場。由于冷卻水流動速度較低，將流體模型設置為層流，打開蒸發冷凝模型，相變系數為0.2，蒸發溫度設置100 ℃，對結構上壁面施加700 W·m-2的熱流載荷，冷卻液選擇20 ℃的水，進口流速分別設置為0.5 m·s-1、0.75 m·s-1、1 m·s-2，其余壁面設置為絕熱壁面，選取結構中心平面作為參考平面。冷卻結構示意圖和參考平面，如圖2所示。

圖2 冷卻結構示意圖和參考平面

2 流場計算結果分析

通過Fluent得到四面體點陣結構在不同流速的冷卻介質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。根據結果，可以得出結論：隨著冷卻流速的提高，結構整體在散熱過程中產生的蒸汽量顯著提升。在不同的冷卻流動速度下，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。隨著冷卻液流動速度的提高，結構整體在冷卻過程中產生的蒸汽量越來越高。通過冷卻水相變蒸發，可為結構提供良好的散熱功能。

圖3 冷卻流速0.5 m·s-1時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

為了便于分析結果，取結構中心平面為結果數據參考平面。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。分析比較云圖結果可以得出結論：隨著冷卻流速的增加，進出口的壓差增大，在蒸汽出口出的高溫區域增多，冷卻水發生相變比例增加；點陣結構對流體的擾動效果增強，整體流動狀態更加復雜。

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 四面體點陣換熱結構應力分析

采用順序耦合的方式，將3組流場數據分別導出到靜力學模塊，通過交界面將流場壓力和溫度分布導入結構表面，計算結構整體的應力分布云圖和變形狀況。對結構下表面采取固定約束，模型結構材料選取為結構鋼。

通過分析應力云圖，得到表1的數據。3種情況下的應力極值位置均發生在多孔平板的孔隙位置，且高溫區域并未傳遞到點陣結構內部。隨著流速的提高，結構換熱效果變得更好，但在結構表面由溫度梯度所引起的熱應力越來越大，同時在結構的4個邊緣頂點處產生較大的變形量。

表1 不同流動速度下的結構應力和變形數據

4 結語

針對四面體點陣結構進行了數值分析，通過分析流固耦合結果可以得出結論：隨著冷卻液流動速度的提高，結構整體散熱性能顯著加強，同時進出口的壓差增大，冷卻水發生相變比例增加，點陣結構對流體的擾動效果增強，整體流動狀態更加復雜，且結構產生的熱應力也有所提高。