轻质多功能金属多层点阵夹层结构的隔/散热机理研究

By integrating thermal insulation fibers and active cooling flow in a multi-layered sandwich panel with metallic lattice frame material (LFM) cores, a novel ultra-light and multi-functional thermal protection structure is proposed. As existing studies mainly focused on forced convection heat transfer in single layered LFM sandwich panels, little is known about the thermal insulation characteristics of LFM sandwich panels as well as the coupling between thermal insulation and active cooling in multi-layered sandwich panels. The present research squarely addresses this deficiency by evaluating the effectiveness of the proposed lightweight thermal protection structure with combined experimental measurements, numerical modeling and theoretic analysis. The research aims to：(1) explore the effects of face-sheet conduction, the presence of thermal insulation fibers, and forced convection on effective thermal conductivity of multi-layered LFM sandwich structures；(2) develop an analytical transient heat transfer model describing the conjugate heat transfer in different core layers of the structure; (3) optimize the thermal protection structure by considering graded core height, proper selection of the location of forced convection core, and simultaneous load-bearing. The research outputs have scientific significance as well as practical importance in the design and analysis of multi-layered LFM sandwich structures for civil and military applications.

通过在多层金属点阵夹层结构部分层芯内填充隔热纤维、部分层芯内让冷却剂流过，本项目提出一种集被动隔热和主动散热于一体的轻质多功能防热结构。以往研究集中于金属点阵夹层结构的强制对流换热、且主要针对单层结构，隔热特性研究很少，尤其考虑多层金属点阵夹层结构的隔热与散热耦合更是鲜见。本项目拟采用实验、理论和数值计算相结合、宏细观相结合的研究方法，研究新型隔/散热结构的传热机理及重量优化方法，评价其隔/防热的技术效能。重点揭示高孔隙率金属点阵桁架导热、中间多层面板、隔热纤维、强制对流等对隔热性能的影响机制；建立不同层芯内导热、自然对流、热辐射和强制对流耦合换热的宏观瞬态传热理论模型；通过对各层芯高度梯度设计、合理布置强制对流层芯位置等措施，使隔/散热夹层结构重量达到最轻。本项目的研究将为金属点阵夹层结构在各种民用和军用工程中的广泛应用奠定理论基础和提供技术支撑。

多孔金属是近年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料，具有重量轻、高比强、高比刚度、以及高效散热的多功能特性，适合用于轻质承载的热防护结构。针对某高温气体冲击热防护结构，提出一种由高温层、隔热层及多孔金属承载层三部分所组成的热防护结构，高温层用于承受高温气体冲刷，隔热层用于阻止热量从高温层向承载结构传递，多孔金属主要用于承载，其内部可通风冷却或者填充相变材料以降低内表面温度。围绕该问题开展了如下关键科学问题研究。第一，基于多孔介质模型，建立了多孔金属夹层结构在热气冲击射流复杂热载荷和主动冷却下的稳态和非稳态传热数值模型，搭建传热风洞和热气冲击射流实验台架，测量得到热气冲击面上温度分布以及冲击中心点的温度响应并验证了数值模型的正确性。与传统上的求解NS方程模拟方法相比，该模型预测复合热防护结构的传热性能更加经济快捷。第二，研究了多孔金属内孔隙填充相变材料之间的局部传热行为，首次实验阐述了两者之间的局部热平衡行为，并通过与孔隙结构直接数值模拟结果对比进行了进一步验证。此外，本项目同时开展了多孔金属的强化散热机理研究。为克服金属泡沫高孔隙率所致低等效导热系数的缺点，提出在金属泡沫内插入翅片强化导热的思想。结果表明，在相同冷却空气流量和相同压降条件下，采用翅片增强导热后金属泡沫的散热性能较无翅片强化时提升了2-3倍。同时，通过分析流动烟雾可视化图片，揭示了空气进入泡沫和向外逃逸规律及其随泡沫高度和冲击距离的影响，从而揭示了相关参数对传热的影响机理。本项目研究成果可为开发基于多孔金属的轻质防热结构和紧凑式散热器提供指导。