2026年工程热力学与流动模式的耦合分析

第一章绪论：工程热力学与流动模式耦合的背景与意义第二章理论模型与数值方法：流场-温度场耦合的数学基础第三章典型工况的仿真验证：流场-温度场耦合效果量化第四章跨尺度耦合分析：从微纳到宏观系统的数据关联第五章工业应用案例：耦合分析在工程实践中的价值第六章结论与展望：耦合分析的未来发展方向01第一章绪论：工程热力学与流动模式耦合的背景与意义引言——现代工程中的热力学与流动耦合挑战国际空间站太阳能帆板的热管理案例能源效率提升的全球影响研究问题提出极端温度环境下的热传导效率挑战工业热交换器导致的能源浪费与优化潜力流场-温度场耦合模型的建立与工程应用工程背景——典型耦合现象案例分析案例1：航空发动机燃烧室中的热喷管高温燃气与流动模式的耦合效应案例2：核电站重水反应堆的堆芯流动自然对流换热与温度偏差的控制案例3：芯片级液冷散热微纳米通道中的流动沸腾与温度分布研究现状——国内外耦合分析技术对比美国技术进展CFD-DEM多相流模型与核反应堆熔盐流动分析德国技术进展FlowMaster软件与汽车热管理系统设计国内技术进展JHTCFD耦合平台与ML-DEM代理模型技术空白点跨尺度耦合数据库与多物理场数据同化技术研究框架与目标研究框架理论模型、数值方法与实验验证的整合短期目标完成航空发动机热喷管耦合仿真与GPU加速算法开发中期目标建立跨尺度耦合数据库，覆盖12个量级长期目标实现多物理场数据同化，提升仿真精度至±1°C章节安排分六章节详细阐述研究内容02第二章理论模型与数值方法：流场-温度场耦合的数学基础引言——耦合物理模型的数学表达流场控制方程组非均匀介质热力学第一定律耦合问题核心矛盾连续性方程、动量方程与能量方程的建立相变潜热与内能变化的关系流场与温度场的相互影响机制数值方法对比——传统与新兴求解策略传统方法SIMPLE与PISO算法的优缺点分析新兴方法UDF与并行迭代法的应用与挑战创新点时间-空间交错格式的提出与优势湍流模型与多尺度耦合技术湍流模型选择多尺度耦合技术创新点k-ωSST与DVM-P模型的适用性与局限性LES与能量方程耦合及数据驱动模型的应用自适应混合模型的提出与优势算法实现与验证算法实现验证案例算法稳定性CUDA平台移植与内存带宽优化NACA0012翼型与芯片级流动的实验验证能量方程加权处理与稳定性提升03第三章典型工况的仿真验证：流场-温度场耦合效果量化引言——验证实验与仿真环境设置验证实验设备仿真环境设置实验与仿真对比计划微通道流动-热耦合测试台的详细配置网格密度、时间步长与收敛标准的确定不同工况下的验证方案设计层流耦合现象分析——微通道自然对流实验数据雷诺数与努塞尔数的测量结果仿真结果温度梯度与壁面热流密度的分布耦合效应热耦合对流动与传热的影响分析湍流耦合现象分析——叶轮机械内部流动实验数据仿真结果耦合效应压力脉动与温度波动的测量结果湍流涡结构与压力脉动的预测湍流对温度场的影响机制分析相变耦合现象分析——微通道沸腾实验数据仿真结果耦合效应汽液两相体积比与成核频率的测量蒸气泡形成与液膜厚度的预测相变对温度场的影响机制分析04第四章跨尺度耦合分析：从微纳到宏观系统的数据关联引言——多尺度问题建模挑战尺度跳变问题数据缺失研究目标微尺度与宏观尺度模型的差异与衔接缺乏极端工况数据的解决方案建立跨尺度数据库与尺度转换函数多尺度模型构建——基于代理模型的降阶方法代理模型高斯过程拟合DNS数据的应用案例尺度转换函数幂律函数的应用与实验验证创新点基于傅里叶变换的尺度关联方法多尺度实验验证——跨尺度流动沸腾测试实验设置实验结果验证方法双尺度实验台的设计与配置频率比与成核密度的测量数据交叉验证技术评估模型泛化能力多尺度工业应用——核电堆芯流动分析应用场景模型应用实验验证CAP1400堆芯设计中的流动沸腾问题多物理场仿真结果与设计优化方案多尺度分析对核电设计的实际影响05第五章工业应用案例：耦合分析在工程实践中的价值引言——典型工业应用场景场景1：航空发动机热管理优化场景2：半导体芯片散热设计场景3：风力发电机叶片冷却热喷管设计中的热应力问题热岛效应与散热优化热变形与冷却系统设计案例1：航空发动机热喷管优化优化目标提高传热效率与降低热应力仿真分析多区域耦合模型与优化方案实验验证优化设计的实际效果案例2：半导体芯片散热设计优化目标仿真分析实验验证降低芯片最高温度与提高散热效率多物理场仿真结果与设计优化方案优化设计的实际效果案例3：风力发电机叶片冷却优化目标仿真分析实验验证降低叶片内部温度与减少热变形多物理场仿真结果与设计优化方案优化设计的实际效果06第六章结论与展望：耦合分析的未来发展方向引言——研究主要成果理论成果技术成果应用成果广义耦合控制方程组与弱解理论GPU加速耦合求解器与测试台验证工业案例的优化效果研究局限性模型局限性实验局限性数据局限性湍流模型与多物理场数据同化的不足微尺度实验设备与宏观尺度实验的挑战极端工况与多尺度数据库的缺失未来研究方向理论方向技术方向应用方向广义非平衡热力学模