【摘 要】
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固固接触传热现象在工程中广泛存在,接触热阻作为固固传热过程中的关键参数,准确预测其大小以及研究平面及曲面间其变化规律具有重要意义。接触热阻的影响因素众多,是一个涉及多学科的多尺度问题。在接触热阻的研究中,相较于建立在各种假设之上的理论研究和复杂耗时的实验研究,数值模拟方法更为简单高效。而模拟研究中的介观尺度的格子玻尔兹曼方法兼顾宏观模拟与微观模拟的优势,适合处理具有复杂接触形貌的接触热阻问题。然而
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固固接触传热现象在工程中广泛存在,接触热阻作为固固传热过程中的关键参数,准确预测其大小以及研究平面及曲面间其变化规律具有重要意义。接触热阻的影响因素众多,是一个涉及多学科的多尺度问题。在接触热阻的研究中,相较于建立在各种假设之上的理论研究和复杂耗时的实验研究,数值模拟方法更为简单高效。而模拟研究中的介观尺度的格子玻尔兹曼方法兼顾宏观模拟与微观模拟的优势,适合处理具有复杂接触形貌的接触热阻问题。然而基于格子玻尔兹曼方法计算固固曲面间接触热阻的模型鲜有研究,曲面间接触热阻的变化规律及其与平面间接触热阻特征的异同尚未被归纳分析。有鉴于此,本文首先建立平面接触热阻的计算模型,使用单松弛的格子玻尔兹曼方法,结合W-M函数生成接触面分形形貌,使用CMY TCR模型描述接触面形变,采用等比体积热容假设进行接触材料与间隙介质的传热耦合。然后将模型计算结果与实验值对比,验证本模型计算接触热阻的可靠性。在验证模型准确性的基础之上,研究平面间接触热阻的变化规律,并得出以下结论:低导热系数的间隙介质是影响接触面换热的重要因素,故当间隙介质为空气时,平面间接触热阻随温度的升高而缓缓降低。平面间接触热阻值随压力升高而降低,并且降低的趋势变缓。低硬度材料在高压力下接触更充分,接触热阻更小。低表面粗糙度的材料更容易充分接触,从而接触热阻更小。在平面接触热阻模型的基础之上,建立曲面接触热阻计算模型,使用具有二阶精度的插值方法处理曲面边界。然后计算具有数值解的理想光滑热阻模型,将计算结果与数值解对比,验证本模型计算曲面间接触热阻的可靠性。在验证模型准确性的基础之上,研究温度、压力、材料、表面粗糙度以及曲率对曲面间接触热阻的影响,并比较分析曲面间接触热阻与平面间接触热阻的异同。得出以下几点结论:与平面类似,低导热系数的间隙介质是影响接触面换热的重要因素,曲面间接触热阻随温度的升高而缓缓降低,当温度从298K升高至798 K时,平面与曲面间接触热阻均降低至原来的46%左右。低硬度低表面粗糙度的材料在高压下曲面间接触热阻更小。与平面不同的是,在低压下,曲面间接触热阻的大小明显高于平面,但随着压力的增加,接触热阻值迅速降低,且降低的速率变缓,最终曲面与平面间接触热阻值趋于一致。曲率半径越大的曲面间接触热阻的特征越接近平面,即在低压下两者值更为接近,并且随着压力的增加两者值更快达到相等。
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