面向相變溫控的梯度多孔金屬材料導熱增強設計.pdf

1、相變材料能夠通過相變吸熱實現(xiàn)短時高發(fā)熱功率器件的冷卻，以及通過不斷的相變吸熱和放熱實現(xiàn)大波動熱環(huán)境的溫度控制，該溫控機制對高功率大波動等苛刻環(huán)境下的高精密設備的溫控系統(tǒng)設計意義重大。但相變材料低的熱傳導系數(shù)限制了熱擴散，嚴重影響了相變溫控能力的發(fā)揮。開孔類多孔金屬（如金屬泡沫、微桁架材料等）比表面積大、導熱性能好、摻混能力強，是理想的相變換熱導熱增強體材料，已經(jīng)引起了廣泛關注。然而，目前的研究主要集中于已有材料的直接應用。實際上，多孔金

2、屬最大的優(yōu)勢是具有可設計性，本文以底面加熱的矩形溫控裝置為研究對象，從實驗、數(shù)值分析、優(yōu)化設計多個方面研究多孔金屬介質(zhì)作為相變溫控導熱增強體的最優(yōu)梯度設計，給出解析表達的梯度設計方案，通過與優(yōu)化獲得的最優(yōu)梯度設計方案對比驗證了本文所提出的梯度設計方案的有效性。具體研究內(nèi)容如下：
　?。?）內(nèi)嵌梯度多孔金屬介質(zhì)相變溫控實驗研究。實驗是驗證設計方案有效性的最可靠手段。本文首先設計并搭建了一套完整的相變換熱實驗平臺，可以獲得整個相變過程

3、關鍵點溫度隨時間的變化曲線；其次，設計了微桁架形式的多孔金屬材料，通過改變桿徑大小實現(xiàn)孔隙率的變化，并利用增材制造技術進行了制備，在其中填充了石蠟形成相應的試驗件;最后,利用所搭建的實驗平臺,試驗測試了在不同熱源分布條件下兩個典型試驗件的溫控情況。結(jié)果表明：在質(zhì)量相同的條件下，不同孔隙率的分布對相變溫控有顯著影響。因此，通過合理的梯度設計，有望提高相變溫控的效果。
　?。?）內(nèi)部自然對流對多孔金屬介質(zhì)相變溫控性能的影響。在模擬整個

4、相變傳熱過程中考慮液態(tài)相變材料自然對流的影響是一個時間相關的流固耦合傳熱問題，計算量巨大，難以實現(xiàn)優(yōu)化過程中的迭代分析求解。如何考慮自然對流的影響是進行模型簡化的關鍵。本文以底邊加熱的相變散熱裝置為對象，利用數(shù)值方法研究了金屬泡沫對液態(tài)相變材料自然對流的抑制程度。對比了不同孔隙率、不同孔密度下自然對流對溫控性能的影響。結(jié)果表明：孔隙率是影響溫控性能的主要因素。液態(tài)相變材料自然對流對溫控性能影響較小，在分析時可以完全忽略。
　?。?