主動(dòng)冷卻復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的熱-流-固多場(chǎng)耦合響應(yīng)

高 亮, 裴銘浚, 毛彥東, 張慶華, 李 凱

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130102;2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 磁浮研究所, 吉林 長(zhǎng)春 130062)

0 引 言

隨著微型化、集成化、輕質(zhì)化和多功能化的不斷發(fā)展,胞元多孔材料已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)材料相比,胞元多孔材料具有輕質(zhì)特性、多功能特性和可設(shè)計(jì)性三大優(yōu)勢(shì)[1-2],在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)多功能一體化方面具有巨大潛力,這與航空航天領(lǐng)域減重節(jié)體的迫切需求不謀而合。尤其是集材料、結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)等多因素于一身的輕質(zhì)碳纖維增強(qiáng)點(diǎn)陣夾層材料,其拉伸主導(dǎo)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的單位承載能力[3-6],同時(shí)兼具實(shí)現(xiàn)熱管理、減震吸能、吸波降噪、電磁屏蔽等其他功能的潛質(zhì)[7-9],被認(rèn)為是最有前景的新一代輕質(zhì)、超強(qiáng)多功能結(jié)構(gòu)型材料[10-11]。

復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)是一種航空航天領(lǐng)域極具應(yīng)用前景的輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)型材料。航天多功能結(jié)構(gòu)的核心是多芯片模塊集成化,將電和熱控制功能集成到壁板結(jié)構(gòu)中,通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)承載-熱控雙重功能[12-15]。電子元件多功能結(jié)構(gòu)是該領(lǐng)域最先進(jìn)的設(shè)計(jì)之一,其可靠性已得到證明[16-17]。在主動(dòng)換熱作用下,復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的連通內(nèi)腔可有效實(shí)現(xiàn)熱元件容納與熱控制,達(dá)到承載-熱控一體化的目的。相較于金屬蜂窩、波紋板多功能結(jié)構(gòu),可有效避免預(yù)埋熱管帶來(lái)的結(jié)構(gòu)性弱化、金屬腐蝕等問(wèn)題。為保證內(nèi)置電子元器件正常工作,其長(zhǎng)期服役環(huán)境溫度一般要控制在80 ℃以下的較低溫度范圍內(nèi)[18],且可降低復(fù)合材料樹(shù)脂基體高溫老化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化問(wèn)題。研究表明,復(fù)合點(diǎn)陣夾層材料在流體主動(dòng)冷卻作用下可以有效保證實(shí)現(xiàn)溫度控制。

多功能使役的實(shí)現(xiàn)普遍需承受復(fù)雜工況下耦合載荷的作用,其結(jié)構(gòu)響應(yīng)也更為復(fù)雜。承載-熱控一體化是基于流體主動(dòng)換熱作用下的熱-流-固多場(chǎng)耦合問(wèn)題,包含熱-力耦合、流-固耦合、共軛熱傳輸?shù)榷喾N耦合形式。文中采用有限元仿真技術(shù)探究復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)主動(dòng)換熱-流-固耦合響應(yīng),揭示典型彎曲變形對(duì)換熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部流體的流動(dòng)特性、場(chǎng)分布狀態(tài)及其換熱性能的影響,為復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)多功能應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù),推進(jìn)其朝著設(shè)計(jì)概念實(shí)物化、多功能耦合一體化、多目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)用化的趨勢(shì)發(fā)展。

1 物理模型與計(jì)算策略

1.1 模型簡(jiǎn)化與描述

承載-熱控一體化復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)既要承受潛在外部力載荷作用,還要承受內(nèi)部局部熱載荷(內(nèi)熱源)作用,同時(shí)還需要采用主動(dòng)對(duì)流換熱作用來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熱控效果。整個(gè)體系中,涉及到流體、固體兩種介質(zhì),熱載荷、力載荷兩種載荷類型,以及熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱兩種熱傳輸形式。復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)在熱-機(jī)載荷下的主動(dòng)換熱問(wèn)題其實(shí)質(zhì)上是包含熱-力耦合、流-固耦合及共軛熱傳輸?shù)臒?流-固多場(chǎng)耦合問(wèn)題。外加載荷對(duì)夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形效應(yīng)必然引起主動(dòng)換熱流體流動(dòng)狀態(tài)的改變,從而通過(guò)換熱效率影響結(jié)構(gòu)的熱控溫度,最終通過(guò)熱應(yīng)力反饋結(jié)構(gòu)變形。該問(wèn)題中流-固耦合屬于單向弱耦合,即在以對(duì)流換熱為主導(dǎo)的熱傳輸問(wèn)題中忽略結(jié)構(gòu)變形對(duì)熱傳導(dǎo)的影響。因此,復(fù)雜的熱-流-固耦合問(wèn)題可以合理地簡(jiǎn)化為研究外加載荷作用下變形結(jié)構(gòu)的熱傳輸問(wèn)題。

簡(jiǎn)化物理模型如圖1所示。

圖1 含內(nèi)熱源的復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)熱-流-固多場(chǎng)耦合物理模型

采用典型的彎曲外加載荷,沿z向均勻施加于夾層結(jié)構(gòu)上表板y向的中心線上,下表板沿y軸方向兩側(cè)固支約束。彎曲載荷采用位移加載形式,控制載荷大小以保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞,即只考慮結(jié)構(gòu)的線彈性變形,位移載荷δ對(duì)應(yīng)的力載為

(1)

式中:Es----母體材料的拉伸模量;

L----夾芯板的彎曲跨距;

W----夾芯板的寬度;

Hc----芯體高度;

tf----面板厚度;

lc----芯體桿件長(zhǎng)度;

Dc----芯體桿件直徑。

在夾層結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)壁中心位置載有一個(gè)具有恒定熱流密度q″的面熱源(電子元器件),溫度為T∞的完全發(fā)展冷卻流體以恒定速度V0從腔體一側(cè)流入,沿著結(jié)構(gòu)縱向(x方向)流經(jīng)夾層芯體區(qū)域,從結(jié)構(gòu)的另一側(cè)流出。

仿真模型幾何參數(shù)與邊界條件見(jiàn)表1。

表1 仿真模型幾何參數(shù)與邊界條件

假定流體為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流,忽略自然對(duì)流和熱輻射對(duì)結(jié)構(gòu)換熱的影響,以及結(jié)構(gòu)入口、出口局部區(qū)域和熱源封裝結(jié)構(gòu)的熱量損失。

仿真模型材料物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 仿真模型材料的物理屬性

在溫控范圍內(nèi)忽略材料力學(xué)、熱學(xué)基本性能隨溫度的變化,參考溫度均為300K。

1.2 邊界條件與仿真策略

計(jì)算模型采用速度入口邊界條件和具有未知壓力及流速的自由流動(dòng)出口邊界條件,熱源面上施加均勻的恒流熱載荷,側(cè)邊界設(shè)置為周期性邊界條件,而在表板的外表面作絕緣處理。

速度入口邊界:

vx=V0=const,

vy=vz=0,

T=T∞=const。

(1)

自由出口邊界:

(2)

周期性側(cè)邊界:

(3)

其余內(nèi)部邊界:

vi=0。

(4)

對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,固體區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,流體區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化四面體混雜網(wǎng)格,并采用網(wǎng)格自適應(yīng)和邊界自適應(yīng)完善非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了獲得湍流核心區(qū)域明顯渦流和分離流等局部流動(dòng)特性,在低雷諾數(shù)時(shí)(Re<3 000)常采用LES大渦模擬湍流模型,而在雷諾數(shù)較高的范圍內(nèi)(Re>3 000),考慮到計(jì)算精度、計(jì)算資源和結(jié)果的穩(wěn)定性等因素,可采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,對(duì)壓力、速度和能量的修正因子都作欠松弛處理。

此外,對(duì)于正交各向異性的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料,其熱傳導(dǎo)系數(shù)可表示為各主方向熱傳導(dǎo)系數(shù)矢量疊加的形式,此時(shí)只需設(shè)定主軸方向(ex、ey、ez)上的熱傳導(dǎo)系數(shù)分量(kx、ky、kz),相應(yīng)的熱傳導(dǎo)矩陣為

kij=kξeξieξj+kηeηieηj+kζeζieζj。

(5)

單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,其縱向(沿纖維方向)熱傳導(dǎo)系數(shù)可表示為[19]

kM=kfMVf+kmVm。

(6)

橫向(垂直纖維方向)熱傳導(dǎo)系數(shù)可表示為[19]

(7)

式中:M,N----縱向和橫向;

f,m----纖維和基體;

V----體積含量。

外載荷作用下彎曲變形后的夾層結(jié)構(gòu)可近似看作以y向?yàn)橹行妮S的圓弧形,如圖2所示。

圖2 彎曲變形夾層結(jié)構(gòu)的入口流速分析

材料正交各向異性熱傳導(dǎo)系數(shù)的設(shè)置需要在柱坐標(biāo)下實(shí)現(xiàn)。而入口流體始終保持垂直于入口截面流入槽道,其速度V0在整體坐標(biāo)系各方向的速度分量可表示為

(8)

式中:L----點(diǎn)陣夾芯板的水平跨距;

δ----z向的彎曲撓度;

β----點(diǎn)陣夾芯板彎曲變形后圓弧形結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的圓心角。

2 多場(chǎng)耦合響應(yīng)分析

2.1 流場(chǎng)響應(yīng)

流體沿結(jié)構(gòu)彎曲弧形槽道的切向流動(dòng),熱源中心沿z軸方向上的速度仍呈現(xiàn)出典型的“U”字型分布形式,如圖3所示。

圖3 不同彎曲變形下沿夾層結(jié)構(gòu)z軸方向的流體速度

隨著外載的增大,重力做功使到達(dá)熱源處(結(jié)構(gòu)最大彎曲撓度處)的流體流速會(huì)有所增大。因此,流體流速總體上還是表現(xiàn)為隨彎曲變形撓度的增大而增大。但可以發(fā)現(xiàn),4mm位移載荷下熱源體近壁區(qū)域的流體并未表現(xiàn)出相對(duì)較高的流速,這說(shuō)明此時(shí)產(chǎn)生了回流現(xiàn)象,由于回流對(duì)流體正向流動(dòng)的消極作用,導(dǎo)致在熱源體近壁區(qū)域的流體流速相對(duì)下降。但相對(duì)較小的速度降低,也說(shuō)明此時(shí)的彎曲變形引起流體在槽道上行段的脫落分離所形成的回流現(xiàn)象并不顯著。

內(nèi)熱源體附近的流體速度分布及局部流動(dòng)形式如圖4所示。

圖4 內(nèi)熱源體附近的流體速度分布及局部流動(dòng)形式

當(dāng)最大中心彎曲撓度達(dá)到4mm時(shí),產(chǎn)生了一定的回流現(xiàn)象,與來(lái)流沖突使熱源體附近流體流動(dòng)紊亂(見(jiàn)圖4中虛線框B區(qū)域)。圖中不難發(fā)現(xiàn)這種回流現(xiàn)象并不明顯,主要是由于彎曲變形撓度小、波浪形槽道缺乏周期性以及A區(qū)域形成渦流及其尾流與回流的相互作用導(dǎo)致的。熱源體附近局部的流體流動(dòng)形式與未變形槽道大致相同,在桿件交匯的A區(qū)域形成典型的馬蹄形渦流,下表板近壁區(qū)域的渦流尾流受到熱源體側(cè)壁的阻礙作用發(fā)生匯聚,由于兩個(gè)尾流的相互作用產(chǎn)生升力,使得流體沿?zé)嵩大w的側(cè)壁攀升并流過(guò)熱源體上表面(B區(qū)域);而非近壁區(qū)域的上層流體將繞過(guò)桿件直接沖刷熱源體的上表面。流過(guò)熱源面的流體會(huì)在熱源體的另一側(cè)壁處C區(qū)域形成旋轉(zhuǎn)渦流。當(dāng)變形撓度增大時(shí),表板的曲率變大,流過(guò)熱源的流體對(duì)上行段槽道表板的沖擊作用則會(huì)增大,這樣就會(huì)提高沿壁面流動(dòng)流體分離脫落的幾率,導(dǎo)致回流現(xiàn)象產(chǎn)生,而C區(qū)域的旋轉(zhuǎn)渦流會(huì)隨之削弱。

為了進(jìn)一步表征彎曲變形結(jié)構(gòu)內(nèi)局部流體流動(dòng)及回流的影響,給出了不同彎曲變形條件下熱源面上渦流強(qiáng)度的變化,如圖5所示。

圖5 彎曲變形撓度與熱源面渦流強(qiáng)度之間的關(guān)系

對(duì)于彎曲變形結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),低處的熱源受到上游渦流及其尾流的沖擊作用將會(huì)更加強(qiáng)烈,兩尾流會(huì)在具有小彎曲弧度的熱源面上相互作用,甚至可能產(chǎn)生一定的尾流脫落和具有局部螺旋特征的流動(dòng)形式。這將會(huì)增強(qiáng)熱源體局部區(qū)域的流體紊亂度,而隨著彎曲變形的增大,上述作用將不斷增強(qiáng);加之熱源體附近流體流速也會(huì)隨之增大,最終將導(dǎo)致熱源面的平均渦流強(qiáng)度和最大渦流強(qiáng)度的不斷提高,換熱效果自然也就得到了強(qiáng)化。當(dāng)彎曲變形撓度較小,未發(fā)生回流現(xiàn)象時(shí),渦流強(qiáng)度呈現(xiàn)出近似的線性增長(zhǎng)趨勢(shì),而發(fā)生回流現(xiàn)象時(shí)(4mm彎曲變形撓度),由于回流與渦流及其尾流的強(qiáng)烈作用,將會(huì)使渦流強(qiáng)度大幅提高。但回流現(xiàn)象對(duì)渦流強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不及馬蹄形渦流,馬蹄形渦流主導(dǎo)型的局部流動(dòng)形式使得弱回流現(xiàn)象不能被很好地觀察到。

2.2 溫度場(chǎng)響應(yīng)

夾芯結(jié)構(gòu)彎曲變形引起內(nèi)部流體的流動(dòng)狀況發(fā)生一定的變化,這必然會(huì)導(dǎo)致溫度場(chǎng)的變化。不同位移載荷作用下結(jié)構(gòu)沿z軸方向的溫度變化如圖6所示。

圖6 不同彎曲變形下夾層結(jié)構(gòu)沿z軸方向的溫度變化

圖中表現(xiàn)出與未變形時(shí)相同的變化趨勢(shì)。在熱源體內(nèi)沿z向溫度幾乎呈線性變化,其內(nèi)部溫度梯度較大;而穿過(guò)熱源與流體的對(duì)流換熱作用層,溫度陡降,遠(yuǎn)離熱源的上層流體基本沒(méi)有熱量波及。隨著變形的增大,流體與熱源面的相互作用會(huì)增強(qiáng),對(duì)流換熱效率也會(huì)有所提高。因此,熱源體的溫度將會(huì)隨之降低。而當(dāng)有回流現(xiàn)象發(fā)生時(shí),換熱作用將得到進(jìn)一步的強(qiáng)化,故4mm彎曲變形時(shí)的溫度降低相對(duì)明顯。

在主動(dòng)冷卻條件下,結(jié)構(gòu)最高溫度對(duì)彎曲變形的響應(yīng)如圖7所示。

圖7 彎曲變形撓度與結(jié)構(gòu)最高溫度之間的關(guān)系

當(dāng)彎曲變形量較小時(shí),在馬蹄形渦流及其尾流的作用下,結(jié)構(gòu)最高溫度隨變形撓度的增大表現(xiàn)為線性降低,而當(dāng)彎曲變形足夠誘發(fā)流體回流時(shí),結(jié)構(gòu)最高溫度相對(duì)會(huì)有大幅下降,但此時(shí)的回流現(xiàn)象對(duì)溫度下降的積極作用還是相對(duì)較弱的。換句話說(shuō),此時(shí)變形結(jié)構(gòu)內(nèi)的對(duì)流換熱流動(dòng)類型仍以局部渦流及尾流為主導(dǎo),回流作用處于次要地位。

2.3 結(jié)構(gòu)換熱特性響應(yīng)

結(jié)構(gòu)在外載作用下發(fā)生彎曲變形后,其換熱性能也會(huì)受到影響,熱傳輸特性和壓降特性與彎曲變形撓度間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 夾層結(jié)構(gòu)的熱傳輸性能和壓降性能與彎曲變形撓度之間的關(guān)系

對(duì)于沿波浪形邊界面的流體流動(dòng),在無(wú)分離流或分離區(qū)較薄時(shí),壓力的變化與波浪形深度(幅值)一般呈現(xiàn)線性變化[20]。由于變形結(jié)構(gòu)芯體桿件與流體之間作用的剪切力增大,故隨著彎曲變形的增大,特征胞元內(nèi)的壓降損失系數(shù)將逐漸增大,且變化速率也會(huì)不斷提高。與此同時(shí),桿件交匯處形成的馬蹄形渦流及其尾流對(duì)熱源面的沖擊作用不斷增強(qiáng),在一定程度上提高了特征胞元內(nèi)的熱傳輸效率;尤其是當(dāng)回流現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí),在渦流和回流的雙重作用下,熱源體所處特征胞元內(nèi)的熱傳輸效率會(huì)進(jìn)一步提高。熱源面渦流強(qiáng)度和最高溫度隨彎曲變形的變化也很好地證明了這種內(nèi)凹型變形對(duì)結(jié)構(gòu)熱傳輸特性的強(qiáng)化作用。

復(fù)合點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形對(duì)其熱傳輸特性起到了積極作用,增強(qiáng)了對(duì)流換熱在熱傳輸中的主導(dǎo)地位,提高了結(jié)構(gòu)的換熱效率,能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源體的主動(dòng)熱控;與此同時(shí),彎曲變形也增大了結(jié)構(gòu)的壓降損失,提高了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)熱控制的成本。兼顧兩對(duì)立特性,彎曲變形對(duì)結(jié)構(gòu)綜合主動(dòng)換熱性能的影響如圖9所示。

圖9 結(jié)構(gòu)的綜合換熱性能與彎曲變形撓度之間的關(guān)系

總的來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)綜合換熱性能隨著變形的增大逐漸提高,未發(fā)生回流現(xiàn)象時(shí),變化幾乎呈線性。而發(fā)生大彎曲變形引起回流現(xiàn)象后,結(jié)構(gòu)綜合換熱性能的提升效果尤為顯著。

3 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)是航空航天領(lǐng)域材料體系中滿足減重節(jié)體、多功能一體化等重要需求極具前景的結(jié)構(gòu)型材料,其潛在使役工況復(fù)雜。結(jié)構(gòu)的承載-熱控一體化需要在冷卻流體主動(dòng)換熱作用下實(shí)現(xiàn),并呈現(xiàn)出外載荷作用下的熱-流-固多場(chǎng)耦合性能。

典型的外加彎曲載荷對(duì)夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和換熱性能均具有一定影響。隨著夾層結(jié)構(gòu)彎曲變形增大,熱源體附近的流體流動(dòng)速度、局部渦流強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的熱傳輸特性和壓力損失特性均有所提高,尤其是當(dāng)回流現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí),結(jié)構(gòu)的綜合換熱效能也隨之呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。與局部的渦流流動(dòng)特性相比,回流現(xiàn)象在對(duì)流換熱中仍處于次要地位,且回流僅在較大彎曲變形狀態(tài)下形成。相對(duì)于熱控元件的內(nèi)凹型變形有助于點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)換熱性能的提升,但這也會(huì)隨之對(duì)其力學(xué)性能提出更高要求。因此,曲壁復(fù)合點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)相對(duì)更有助于承載-熱控一體化的實(shí)現(xiàn),但同時(shí)也要考慮主動(dòng)冷卻流體正常運(yùn)行所需的外加抽吸功,并合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的曲面曲率。