题目：层板结构流动换热机理及优化设计研究

层板是一种半蒸发式冷却结构，它集成了对流、冲击和气膜三种冷却方式于一身，具有较高的冷却效率和使用可靠性，被广泛应用于航空和火箭发动机的热端部件冷却。 本文通过对相关文献的研读，详细分析了层板结构在过去40年中的发展历程，以及其结构特点和分类。根据板间支撑物的不同，层板可分为以扰流柱为主的Lamilloy式和以通道网络为主的Transply式，而前者是本文的主要研究对象。分析了Lamilloy式层板扰流柱的排列方式，定义了其扰流柱排列特征参数N，并以此作为层板类型的命名方式。常见的扰流柱排列形式中，N=2、4、8或16，本文在此基础上，提出N=6和14的两种非常规结构，并有较大的性能提升。对Lamilloy式层板进行了参数化建模，并分析了不同进、出气孔形式下的计算模型建立方式。 采用了流体-固体耦合计算，忽略气体浮升力和辐射传热，求解层板的最小单元体稳态流动和换热情况。本文采用标准k-ε湍流模型方程，配以变尺度的壁面函数来求解湍流Navier-Stokes方程。网格的划分采用了四面体的非结构化网格结合棱柱体的边界层网格的形式，最大的边长经过对解的网格无关性研究之后，取值为层板进气孔间距L的1％。计算模型中的对称和周期性边界条件也经过数值研究证明了其合理性。对于计算方法的合理性以及结果的准确性，采用了实验手段进行研究和校核，吻合较好。而实验的设计和原理的验证，借助了复杂数值计算对整个实验装置运行的模拟。 将复杂的层板换热过程简化为一维平板传热，提出了层板等效换热模型，得到层板等效导热系数和等效对流换热系数以及相应的无量纲准则数。使用实验和数值计算结合的方法，对扰流柱直径相同的141和161型层板的流阻和换热性能差异进行了研究。实验结果表明：相对于141模型，161模型在增加了副扰流柱的情况下，流阻减少了20％左右，等效导热系数和等效对流换热系数分别增加10％和12％左右。实验与数值计算吻合较好。 使用经过被多次实验验证过的数值计算方法，对层板结构形式进行了优化研究。主要研究了等填充比条件下，扰流柱排列特征参数N对于层板各流动阶段以及整体的流阻，和对等效导热系数以及等效对流换热系数的影响。在得到了161型层板在流阻和换热性能以及加工制造难度方面具有综合优势的结论后，对161型层板的填充比θ和主、副扰流柱直径差异系数ψ对流阻和换热的影响进行了研究。得到的结论是：增大θ和ψ，有利于减小流阻；增大θ会提高等效导热系数；而主副扰流柱直径相同，且等于扰流柱高度的设计会使内腔换热面积最大，从而具有较大的等效对流换热系数。 建立多单元串联层板模型，分别分析了出气边界条件均匀和不均匀状况下的流动状况，并与单个单元的计算结果进行了对比，最终确定了以进气单元和出气单元分别描述层板出气孔之前和出气孔自身的流动，以虚拟单元来描述单元间流动的流体网络划分方式。围绕该方式，设计了多层板单元串联实验件，得到了非均匀出气条件下，各类网络单元的流阻曲线。