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答辩博士：钱宁

指导教师：徐九华教授/博导

论文题目：轴向振荡热管砂轮磨削强化传热基础研究

答辩委员会名单：

答辩秘书：赵正彩副教授/硕导

答辩时间：2021-3-12 上午8:30

答辩地点：南航明故宫校区A15#341

学位论文简介：

高温合金在航空、航天和能源等领域有着广泛应用，它属于典型的高强韧难加工材料。磨削加工是其零部件的主要加工方式之一。磨削高温合金零部件因高温易引起烧伤，而影响其最终服役性能。生产中常用的大流量高压冷却方式不能从根本上解决磨削烧伤问题，并且会污染环境、危害健康。如何实现有效冷却，降低磨削温度是高温合金磨削的主要瓶颈之一。常规热管砂轮能够利用热管增强砂轮的传热性能，强化热疏导，但是在高离心加速度下，热管内部相变被抑制，热管砂轮传热性能大幅降低而无法有效疏导磨削热。针对上述问题，本文开创性地提出轴向振荡热管砂轮概念，其核心思想是在砂轮基体中设计振荡热管结构，利用工质循环运动与相变传热突破离心加速度的限制，通过砂轮高效稳定疏导磨削热，避免磨削热积累，降低磨削温度，抑制磨削烧伤，提高磨削效率。

论文主要研究内容和取得的成果如下：

（1）研制了轴向旋转振荡热管传热性能及其工质运动状态观测试验装置，开展了离心加速度、工质、内径和热流密度对轴向旋转振荡热管传热性能的影响研究。建立了轴向旋转振荡热管内部工质的运动和传热模型，阐明了工质的运动形式和传热机制。

（2）基于控制系统中的响应函数提出了振荡热管启动过程评价方法，定量表征了振荡热管的启动过程，利用调节时间和上升时间两参数评价启动过程的快速性。开展了振荡热管启动过程的试验研究，发现振荡热管存在过阻尼、欠阻尼和过渡型三种启动形式。揭示了工质、冷凝端冷却条件和离心加速度对振荡热管启动过程的影响规律，形成了轴向振荡热管砂轮的启动策略。

（3）针对磨削热流密度和控温要求，以热流密度、拟控制的蒸发端温度、振荡热管的结构尺寸参数和内部工质状态参数为输入，建立了轴向旋转振荡热管传热性能预测模型，并以此为核心提出了轴向振荡热管砂轮设计流程。针对磨削GH4169高温合金的控温要求，研制了轴向振荡热管砂轮。

（4）开展了轴向振荡热管砂轮磨削GH4169高温合金的理论、仿真和试验研究，验证轴向振荡热管砂轮强化传热的有效性。研究表明，在高磨削热流密度和少无冷却条件下磨削GH4169高温合金材料，轴向振荡热管砂轮能够强化磨削热疏导，有效控制磨削温度，可以满足高温合金的磨削强化传热需求。

主要创新点：

（1）提出轴向振荡热管砂轮的概念。利用工质循环运动与相变传热，在磨削过程中形成具有高效传热能力的振荡热管效应，实现了将磨削热直接通过砂轮稳定高效疏导的效果，解决了高温合金高效磨削加工的传热难题。

（2）建立振荡热管内部工质运动及其传热模型，通过理论计算阐明轴向旋转振荡热管具有高效传热能力。研制了轴向旋转振荡热管传热性能和工质运动观测试验装置，突破了轴向旋转过程中振荡热管的温度采集和内部工质运动观测的技术难题。试验验证了轴向旋转振荡热管强化传热的效果。

（3）利用二阶响应函数定量描述振荡热管启动过程，通过上升时间和调节时间两参数评价振荡热管启动过程的快速性，解决了振荡热管启动过程缺乏定量描述与表征的技术难题。并且通过试验揭示了工质、冷凝端冷却条件和离心加速度对振荡热管启动性能的影响规律，为轴向振荡热管砂轮启动提供基础数据和理论指导。

（4）基于极端梯度增强算法利用小规模试验数据构建传热性能预测模型，实现了轴向旋转振荡热管传热性能的准确预测。利用该模型，提出了轴向振荡热管砂轮的设计流程。研制的轴向振荡热管砂轮实现了在高磨削热流密度条件下磨削强化传热效果。