相变材料能够通过相变吸热实现短时高发热功率器件的冷却,以及通过不断的相变吸热和放热实现大波动热环境的温度控制,该温控机制对高功率大波动等苛刻环境下的高精密设备的温控系统设计意义重大。但相变材料低的热传导系数限制了热扩散,严重影响了相变温控能力的发挥。开孔类多孔金属(如金属泡沫、微桁架材料等)比表面积大、导热性能好、掺混能力强,是理想的相变换热导热增强体材料,已经引起了广泛关注。然而,目前的研究主要集中于已有材料的直接应用。实际上,多孔金属最大的优势是具有可设计性,本文以底面加热的矩形温控装置为研究对象,从实验、数值分析、优化设计多个方面研究多孔金属介质作为相变温控导热增强体的最优梯度设计,给出解析表达的梯度设计方案,通过与优化获得的最优梯度设计方案对比验证了本文所提出的梯度设计方案的有效性。具体研究内容如下:(1)内嵌梯度多孔金属介质相变温控实验研究。实验是验证设计方案有效性的最可靠手段。本文首先设计并搭建了一套完整的相变换热实验平台,可以获得整个相变过程关键点温度随时间的变化曲线;其次,设计了微桁架形式的多孔金属材料,通过改变杆径大小实现孔隙率的变化,并利用增材制造技术进行了制备,在其中填充了石蜡形成相应的试验件;最后,利用所搭建的实验平台,试验测试了在不同热源分布条件下两个典型试验件的温控情况。结果表明:在质量相同的条件下,不同孔隙率的分布对相变温控有显著影响。因此,通过合理的梯度设计,有望提高相变温控的效果。(2)内部自然对流对多孔金属介质相变温控性能的影响。在模拟整个相变传热过程中考虑液态相变材料自然对流的影响是一个时间相关的流固耦合传热问题,计算量巨大,难以实现优化过程中的迭代分析求解。如何考虑自然对流的影响是进行模型简化的关键。本文以底边加热的相变散热装置为对象,利用数值方法研究了金属泡沫对液态相变材料自然对流的抑制程度。对比了不同孔隙率、不同孔密度下自然对流对温控性能的影响。结果表明:孔隙率是影响温控性能的主要因素。液态相变材料自然对流对温控性能影响较小,在分析时可以完全忽略。(3)单向相变传热的多孔金属介质最优梯度设计。以底边加热的相变散热装置(单向相变传热)为对象,研究建立了最优梯度设计的优化设计模型,通过分层最优设计,提出了一种多孔金属介质最优梯度设计的显式解析表达式。结果表明:通过孔隙率的梯度设计能够显著提高相变温控的效果。该研究为实际工程的设计提供了参考。