高温条件下固体界面接触热阻的数值模拟与实验研究

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界面接触热阻是衡量接触界面间传热效率的重要指标之一,其定义是接触界面的温差与接触界面热流的比值。目前国内外学者对接触热阻开展了大量的理论分析与实验研究,但是大多的研究工作都是以中低温环境为背景,对于高温环境下的接触热阻的研究却鲜有报道。然而,高温界面接触传热现象却广泛存在于航空航天、能源动力、钢铁冶金、化工等领域,如空间飞行器、核反应堆、内燃机、煤气化反应器等高温设备中。因此研究高温条件下的接触热阻对国防、能源和材料等科学领域都有着重要的意义。界面接触换热问题由于其传热机理比较复杂,导致界面接触热阻受众多因素的影响,如接触压力、界面温度、接触表面的形貌、接触材料属性、接触加载过程等。本文运用数值模拟与实验研究相结合的方法,对高温条件下的固体界面接触热阻的影响因素进行研究。首先基于高温合金GH4169材料,建立了其在高温条件下接触界面的力学与传热数值模型,传热分析时考虑了高温条件下接触界面辐射换热的影响。然后利用ANSYS软件,基于高温合金GH4169的实际表面形貌轮廓数据,构建了粗糙表面的真实接触模型,并对其在高温条件下的接触热阻进行了模拟仿真,研究了接触压力、界面温度、表面发射率、表面粗糙度对高温界面接触热阻的影响。最后设计了高温条件下接触热阻的实验方案,利用高温接触热阻测试系统,测试了航空航天中常用的结构材料:高温合金GH4169、C/C复合材料之间相互配对的接触热阻。根据实验测试结果对比了高温合金GH4169的数值模拟结果,同时研究了接触压力、界面温度在加载与卸载过程对高温接触热阻的影响。数值模拟结果表明:高温接触热阻随着接触压力和界面温度的增加而减小,且随着界面温度的升高,接触压力对高温接触热阻的影响程度逐渐减小。在高温条件下接触热阻随着接触表面的发射率增大而减小,而在低温时变化不明显。高温接触热阻随着表面粗糙度增大而增大,相同条件下表面粗糙度越大,接触热阻受接触压力与界面温度的影响越明显。实验结果表明:实验测试结果与数值模拟结果吻合良好,两者的相对误差小于14%,且随着接触压力的增加有逐渐减小的趋势。在接触压力、界面温度的加载与卸载过程中高温接触热阻会发生滞后效应。滞后效应导致的接触热阻的变化量与界面温度和接触材料的力学性能有关。
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