专栏名称: COMSOL 多物理场仿真技术
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学术前沿 | 用于声学和热声应用中的粘性和热能控制的三维蜂窝结构

COMSOL 多物理场仿真技术  · 公众号  ·  · 2024-10-25 09:26

正文

多尺度渐近方法提供了对控制声波通过多孔材料传播的粘性和热响应函数的单独描述。然而,对于狭缝或管等简单的多孔结构来说,这些响应函数本质上是相互依赖的——它们的确定直接受到几何结构的微观结构特征的影响。本研究旨在识别、表征和实现微观几何形状,提供独立修改粘性和热行为的能力。这些现象控制的相对自主性将使得调节结构内的能量转换过程成为可能,该过程可以是耗散的(例如,吸声)或生成的(例如,热声增益)。在各种微观几何形状中,由具有实体边缘或面的细胞组装而成的细胞固体,堆积在一起以填充空间,成为实现这一目标的有希望的候选者。在互连的单元(孔隙)内,粘性损失由面(喉部)的孔径大小决定。另一方面,热交换与流体和固体之间的界面密切相关,从而与细胞的尺寸密切相关。所识别的微观结构是典型的基于开尔文单元的几何形状,经过修改以考虑制造限制,并以具有明确的开口率和厚度的面为特征。这项工作提出了一个经过实验验证的模型来预测此类细胞固体的传输参数。它为设计微结构提供了一个有价值的工具,具有独立调整热效应和粘性效应以满足特定应用要求的属性。

本研究的主要发现总结如下:

(1)对一组真实的三维细胞结构进行了一套统一的输运和扩散计算;四面体单位细胞由细胞尺寸Dt、面的开放比和壁的厚度ξ参数化。

(2)这里研究的模型为增材制造技术提供了一个极好的候选模型,并允许根据实验测量进行测试。

(3)我们还推导出了细胞结构的几何参数(Dt、to、ξ)与表征粘惯性效应和热效应的输运特性(k0 k0ʹ、φ、Λ、Λʹ、α∞)之间的相关性;它们有助于避免重复我们的计算。

(4)然后,这些结构-性质关系被用来研究频率相关响应函数方面的热交换和粘性交换,如Swift等人[3]在热声学背景下提出的无量纲粘性耗散θv和热弛豫θk。







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