复合点阵夹芯结构数值分析

廉 帅 王 正 王 璐

（大连理工大学 能源与动力学院，大连 116024）

点阵夹芯结构是一种多孔有序微结构材料，具有良好的减震缓冲性能，同时具有较高的强度和刚度，是当今世界的前沿热点研究材料[1]。点阵夹芯结构主要由梁杆单元组成，主要分为正四面体、金字塔型和kagome型[2]。选择合理的冷却介质可以对结构进行良好的主动换热，从而降低结构表面的温度，但仍需考虑结构在不同的温度载荷和压力载荷作用下结构整体的应力分布状况和局部破坏模式[3-4]。

1 建模方法

本文中点阵模型主要选择四面体点阵结构。通过CATIA建立点阵结构模型和流体域，对结构各个表面进行合理命名和边界设定，得到模型结构如图1所示。

图1 四面体点阵模型

将划分好网格的模型结构导入Fluent中计算流场。由于冷却水流动速度较低，将流体模型设置为层流，打开蒸发冷凝模型，相变系数为0.2，蒸发温度设置100 ℃，对结构上壁面施加700 W·m-2的热流载荷，冷却液选择20 ℃的水，进口流速分别设置为0.5 m·s-1、0.75 m·s-1、1 m·s-2，其余壁面设置为绝热壁面，选取结构中心平面作为参考平面。冷却结构示意图和参考平面，如图2所示。

图2 冷却结构示意图和参考平面

2 流场计算结果分析

通过Fluent得到四面体点阵结构在不同流速的冷却介质冷却下的蒸汽速度矢量图和蒸汽出口热流量分布云图，如图3、图4和图5所示。根据结果，可以得出结论：随着冷却流速的提高，结构整体在散热过程中产生的蒸汽量显著提升。在不同的冷却流动速度下，在蒸汽出口的热流量分布状况较为相似，最大热流量也有较大提升。随着冷却液流动速度的提高，结构整体在冷却过程中产生的蒸汽量越来越高。通过冷却水相变蒸发，可为结构提供良好的散热功能。

图3 冷却流速0.5 m·s-1时的蒸汽速度矢量图和蒸汽出口热流量分布云图

图4 冷却流速0.75 m·s-1蒸汽速度矢量图和蒸汽出口热流量分布云图

图5 冷却流速1.0 m·s-1蒸汽速度矢量图和蒸汽出口热流量分布云图

为了便于分析结果，取结构中心平面为结果数据参考平面。通过tecplot得到中心平面上的压力、温度和冷却水流速的分布云图，如图6、图7和图8所示。分析比较云图结果可以得出结论：随着冷却流速的增加，进出口的压差增大，在蒸汽出口出的高温区域增多，冷却水发生相变比例增加；点阵结构对流体的扰动效果增强，整体流动状态更加复杂。

图6 冷却流速0.5 m·s-1下压力、温度和冷却水流速的分布云图

图7 冷却流速0.75 m·s-1下压力、温度和冷却水流速的分布云图

图8 冷却流速1.0 m·s-1下压力、温度和冷却水流速的分布云图

3 四面体点阵换热结构应力分析

采用顺序耦合的方式，将3组流场数据分别导出到静力学模块，通过交界面将流场压力和温度分布导入结构表面，计算结构整体的应力分布云图和变形状况。对结构下表面采取固定约束，模型结构材料选取为结构钢。

通过分析应力云图，得到表1的数据。3种情况下的应力极值位置均发生在多孔平板的孔隙位置，且高温区域并未传递到点阵结构内部。随着流速的提高，结构换热效果变得更好，但在结构表面由温度梯度所引起的热应力越来越大，同时在结构的4个边缘顶点处产生较大的变形量。

表1 不同流动速度下的结构应力和变形数据

4 结语

针对四面体点阵结构进行了数值分析，通过分析流固耦合结果可以得出结论：随着冷却液流动速度的提高，结构整体散热性能显著加强，同时进出口的压差增大，冷却水发生相变比例增加，点阵结构对流体的扰动效果增强，整体流动状态更加复杂，且结构产生的热应力也有所提高。