一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法技术

一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法，属于材料性能测试领域。目前对于陶瓷纤维材料的导热性能的研究不足，在实验方面，也缺乏理论计算依据。本发明专利技术基于晶格Boltzmann方法针对陶瓷纤维不同编织结构进行物理建模，拟合得到比热容和声子平均自由程参数；选定计算时所用的网格划分方法、格子模型和边界条件，并确定声子热输运格子Boltzmann方程；通过仿真软件针对不同的编制结构的类型计算不同温度、不同编织角、不同纤维半径下材料的热导率，求出相对偏差；并分析该因素对材料各向异性导热性能的影响以及不同编织结构对材料的各向异性导热性能影响。本发明专利技术方法以晶格玻尔兹曼方程为依据，仿真模拟效果优秀。仿真模拟效果优秀。仿真模拟效果优秀。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法


[0001]本专利技术涉及一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法。

技术介绍

[0002]本专利技术以陶瓷纤维及陶瓷纤维增强树脂基复合材料为研究对象，以LBM为研究方法，探究陶瓷纤维及其复合材料在不同结构、条件下的导热性能，为其在热防护中的应用提供理论基础。
[0003]人能感受到温度高低，物体能受环境影响变冷、变热，这都是热量传递的结果。在极端高温或者低温环境下，防止人员或物品受到伤害或损害就需要进行热防护。例如，对于高温作业场所，采取相应的热防护措施，可避免作业人员患热射病、热衰竭等疾病；消防员在火场中身着具有隔热效果的消防服以避免烫伤烧伤甚至更严重后果；冬天送餐员会将食物放入保温箱中防止食物变冷；在低温环境下作业的作业人员穿着保温棉服、手套等避免冻伤。对于高速飞行器，采取热防护措施可以避免恶劣热环境对其的伤害，提高飞行时的安全性和可靠性，避免发生由热引起的解体事故。例如2003年美国哥伦比亚号航天飞机由于左机翼隔热瓦受损，在返回大气层的过程机体表面温度超过机体所能承受的极限温度，使得航天飞机发生解体爆炸。因此热防护的设计至关重要。
[0004]热防护材料是热防护中最主要的功能材料，材料性能决定了防护性能，必须通过设计、制备和试验对材料进行充分地优化和验证。尤其是近年来，随着航空航天，核能，燃气轮机等高科技工业领域的迅速发展，对耐高温，抗氧化，耐腐蚀材料有着迫切的需求。纤维增强复合材料是由增强纤维和基体通过特殊复合工艺(如缠绕、模压、拉挤等)成型的复合材料，因其具有轻质、高强、耐腐蚀等突出优点被广泛用于航空航天、船舶汽车、民用建筑等领域。三维多向编织复合材料是先进三维纺织结构复合材料家族的重要成员，除具备传统纤维增强复合材料的各项优点外，还具有结构整体性好、可设计性强、抗冲击和疲劳性能高等突出的性能优势，自被提出以来便受到国内外材料界、力学界和工程界的高度重视，并已有一大批关键部件如航空发动机风扇叶片、火箭发动机喷管、三维整体编织异型梁、直升机起落架等被生产并应用。其中，陶瓷纤维具有气孔率高(一般大于90％)、孔径和比表面积大的结构特点，具有良好的隔热作用。陶瓷纤维内部组织结构是由固态纤维与空气混合组成，固相和气相都是以连续相的形式存在，固态物质以纤维状形式存在并构成连续相骨架，气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中，气孔中的空气具有良好的隔热作用，从而使陶瓷纤维具有较好的隔热性能和较小的体积密度。
[0005]本专利技术主要研究热传导这一方式，热传导(简称导热)是指在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。热传导性能是衡量复合材料耐高温性能的一个重要指标，材料的导热系数表明了该材料的导热能力。对材料热传导特性的理论计算，能更好的分析出材料的传热性能，使其在热防护中的得到更好地应用。对于陶瓷纤维材料，近几年来的研究方向主要为纤维结构模拟和宏观力学的性能测试，而对材料的热传导特性的研究又是很重要的，所以本专利技术选定对其热
传导特性进行研究。
[0006]综上，目前对于陶瓷纤维材料的研究的问题是，研究方向大多集中于其力学性能、耐老化、耐腐蚀和材料的制备上，与热有关的研究中包括烧蚀性能、阻燃性能等，而对于其导热性能的研究则有待深入，在实验方面，也缺乏理论计算依据。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决上述问题，而提出一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法。
[0008]一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法，所述方法包括：
[0009]基于晶格Boltzmann方法针对陶瓷纤维不同编织结构进行物理建模，拟合得到对应结构的比热容和声子平均自由程参数；选定计算时所用的网格划分方法、格子模型和边界条件，并确定声子热输运格子Boltzmann方程；
[0010]之后，通过仿真软件针对不同的编制结构的类型计算不同温度、不同编织角、不同纤维半径下材料的热导率，求出相对偏差；并分析该因素对材料各向异性导热性能的影响以及不同编织结构对材料的各向异性导热性能影响；其中，编制结构的类型包括二维编织、三维正交编织和三维多向编织，三维多向编织包括三维四向、三维五向、三维六向；
[0011]之后，对三维多向编织类型的陶瓷纤维树脂基复合材料进行建模计算，绘制曲线图反应材料特性并分析结果。
[0012]优选地，所述的通过仿真软件针对不同的编制结构的类型计算不同温度、不同编织角、不同纤维半径下材料的热导率的过程为：
[0013]首先，建立LBGK模型；
[0014]格子Boltzmann方程表达形式描述为：
[0015][0016]其中，为由于粒子运动和碰撞引起的f(r，ξ，t)的变化，r为运动方向，ξ为运动速度，a为运动加速度，t为运动时间，J(ff1)为碰撞项，其形式为一个复杂的积分项；
[0017]通过对Boltzmann方程的碰撞项J(ff1)进行简化，引入Maxwell的平衡态分布概念，得到Boltzmann
‑
BGK方程，其表达式为：
[0018][0019]其中f
eq
为粒子的Maxwell平衡态分布；τ为粒子两次碰撞之间时间的平均值，即粒子分布由非平衡态向平衡态趋近所需要的平均时间间隔，亦被称作弛豫时间；对上式进行离散可得到用于数值计算的LBGK表达式：
[0020][0021]其中，f(x，t)是t时刻x处的粒子分布函数；i表示粒子运动方向；c为离散后各处粒子运动速度；δ
t
为离散时间步长；则LBGK中的宏观温度T和热流密度q
c
可以分别表示为：
[0022][0023][0024]则LBM方法计算的复合芯材气固耦合有效热导率的计算公式为：
[0025]K
LBM
＝(N
z
∫q
c
dxdy)/(ΔT∫dxdy)#(6)
[0026]其次，采用D3Q15模型进行计算，即假定粒子的热流沿包含中心点方向在内共15个传递方向；D3Q15模型中的15个速度矢量如上图，模型的各方向速度分布及参数设置为：
[0027][0028][0029][0030]其中，表示格子声速，可以为任意正值，δ
x
为距离步长，取1，δ
t
取为时间步长；代指格点处宏观温度在各个方向上的分量；τ
n
为弛豫时间，取值范围仅限0.5～2；λ
n
表示格点处物相的热导率，W/(m
·
K)；i表示热量不同的传递方向，i＝0～14；n表示不同的物相。
[0031]优选地，所述的对三维多向编织类型的陶瓷纤维树脂基复合材料进行建模计算的过程为：
[0032](a)设定边界条件，即模型两侧的温度场，之后初始化分布函数f
i
(x，0)，即给整个模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法，其特征在于：所述方法包括：基于晶格Boltzmann方法针对陶瓷纤维不同编织结构进行物理建模，拟合得到对应结构的比热容和声子平均自由程参数；选定计算时所用的网格划分方法、格子模型和边界条件，并确定声子热输运格子Boltzmann方程；之后，通过仿真软件针对不同的编制结构的类型计算不同温度、不同编织角、不同纤维半径下材料的热导率，求出相对偏差；并分析该因素对材料各向异性导热性能的影响以及不同编织结构对材料的各向异性导热性能影响；其中，编制结构的类型包括二维编织、三维正交编织和三维多向编织，三维多向编织包括三维四向、三维五向、三维六向；之后，对三维多向编织类型的陶瓷纤维树脂基复合材料进行建模计算，绘制曲线图反应材料特性并分析结果。2.根据权利要求1所述的一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法，其特征在于：所述的通过仿真软件针对不同的编制结构的类型计算不同温度、不同编织角、不同纤维半径下材料的热导率的过程为：首先，建立LBGK模型；格子Boltzmann方程表达形式描述为：其中，为由于粒子运动和碰撞引起的f(r，ξ，t)的变化，r为运动方向，ξ为运动速度，a为运动加速度，t为运动时间，J(ff1)为碰撞项，其形式为一个复杂的积分项；通过对Boltzmann方程的碰撞项J(ff1)进行简化，引入Maxwell的平衡态分布概念，得到Boltzmann
‑
BGK方程，其表达式为：其中f
eq
为粒子的Maxwell平衡态分布；τ为粒子两次碰撞之间时间的平均值，即粒子分布由非平衡态向平衡态趋近所需要的平均时间间隔，亦被称作弛豫时间；对上式进行离散可得到用于数值计算的LBGK表达式：其中，f(x，t)是t时刻x处的粒子分布函数；i表示粒子运动方向；c为离散后各处粒子运动速度；δ
t
为离散时间步长；则LBGK中的宏观温度T和热流密度q
c
可以分别表示为...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷金英，宝伟芳，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：