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主动换热流道分形设计与拓扑优化设计
| 论文题名： | 主动换热流道分形设计与拓扑优化设计 |
| 关键词： | 主动换热流道;船舶设计;拓扑优化;换热性能;液体冷却 |
| 摘要： | 在船舶与海洋工程领域、车辆工程领域、航空航天领域及微电子领域等，随着科技的发展，设备发热问题愈发严重。高温环境对材料、结构及性能稳定性产生巨大危害。如何解决设备发热问题是一个重要的研究课题。因此，迫切需要一种高效的主动换热技术，满足工程领域中不断增加的热防护需求。 液体冷却技术是一种构型简单、换热效率高的主动换热技术。之前，由于制造工艺的限制，换热流道多集中于直流道及螺旋流道等简单构型流道。目前，随着增材制造技术的发展，可以实现复杂流道的制备。如何实现复杂流道的构型设计是一个重要的问题。因此，本文一方面针对Y形、V形及T形三种分形流道提出统一快速参数化建模方法，用于换热流道的分形设计；另一方面构建对流换热拓扑优化方法，用于换热流道的拓扑优化设计。具体研究内容与结论如下： （1）构建了多种分形流道的统一快速参数化建模方法。首先，利用分级数与分级比确定控制点的数目和位置；其次，利用分叉角度确定分叉点的位置，实现不同类型分形网络的构建；最后，根据长宽比与管径比确定分形流道几何尺寸，完成三维分形流道参数化模型的构建。利用参数化建模方法与数值模拟研究了分形流道的换热性能与流动性能。通过与直流道对比，发现分形流道具有更优异的性能；研究了分形结构控制参数对换热性能、温度均匀性、流动性能及综合性能的影响；将三类分形设计应用于锥形换热器，发现Y形分形流道具有更佳的流动性能，V形分形流道具有更佳的换热性能。 （2）基于变密度法通过达西模型构建了换热流道拓扑优化方法。首先，在压降边界下，分别以平均换热速率最大化与平均温度最小化作为设计目标进行换热流道拓扑优化设计。其次，分别研究了压降及出入口数目对换热流道拓扑优化结果的影响，发现压降和出入口数目对换热流道拓扑形态有显著影响。最后，根据拓扑优化结果构建三维拓扑流道模型。以峰值温度、平均温度、温差及压降等作为评价指标，分别在相同压降与相同流量下通过数值模拟对比了拓扑流道与直流道的性能差异。结果表明，在相同压降下，拓扑流道有更佳的换热性能；在相同流量下，拓扑流道有更佳的换热性能和流动性能。 |
| 作者： | 门志超 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 陈文炯 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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