蜂窝材料除具有轻质、高比刚度/强度外,由于存在一个易于流体流动的方向并具有较大的面密度,还具有良好的主动散热能力,在航空航天等领域具有广泛的应用前景。金属蜂窝材料的性能严重依赖于单胞的拓扑形式,通过改变单胞的拓扑、布局、尺寸等可设计参数,可以实现承载-散热的多功能协同设计,提供按需定制的蜂窝结构。增材制造能够精确制造几何高度复杂的结构,为金属蜂窝材料的设计提供了制备保障。梯度设计是提高性能的重要方式,目前研究主要集中于数值方法,缺乏可靠的实验数据支撑。本文采用增材制造工艺制备了梯度与均匀金属蜂窝试件,并搭建了强迫对流换热实验平台,采用实验与数值仿真相结合的方法研究了梯度蜂窝在恒温和恒热流加热条件下的强迫对流换热性能,讨论了梯度设计对换热性能的影响。通过实验数据验证了表征蜂窝结构换热性能的数值方法的有效性。最后,采用数值模拟的方法研究了三维梯度蜂窝结构在恒温和恒热流加热条件下不同流体流向的对流换热性能。主要研究内容如下:(1)增材制造梯度金属蜂窝对流换热实验研究与数值仿真及其快速数值方法有效性验证。采用增材制造工艺制备了梯度与均匀金属蜂窝两个试件。搭建了以铜板作为恒温载体的强迫对流换热实验平台。实验测量了在不同风速条件下梯度与均匀金属蜂窝试件的温度场与压降,实验数据结果与数值模拟结果具有良好的一致性。通过实验数据验证了通过假设每个单胞孔流体温度相同的方式考虑横截面流体温度分布能够准确有效的表征梯度蜂窝结构换热性能,而基于横截面流体恒温假设方法将产生较大的误差,该研究为进一步优化设计奠定基础。(2)考虑增材制造工艺的梯度蜂窝结构对流换热性能优化设计。已有研究表明基于横截面流体恒温假设的方法对梯度蜂窝的对流换热性能评估产生较大的误差。因此,有必要对梯度蜂窝结构设计进行重新讨论。本章在固定长宽高区域和给定的流速条件下,考虑增材制造工艺的限制,重新设计蜂窝结构。对比分析了均匀蜂窝、线性梯度蜂窝以及三维梯度蜂窝不同的设计方案。结果表明:相比于均匀蜂窝结构,横截面内的线性梯度优化设计所获得的收益不大,通过横截面和流动方向协同的三维梯度设计能够较大幅度的提升蜂窝性能。另外,在恒温条件下三维梯度蜂窝在不同流向的散热性能相似。(3)恒热流边界下梯度金属蜂窝对流换热性能分析。不同边界条件对应不同的最优设计,以上研究主要针对恒温边界条件下的梯度蜂窝设计。本章主要针对在恒热流边界条件下,采用数值和实验相结合的方法探讨了横截面内梯度蜂窝强迫对流换热性能,实验测量了在不同风速条件下梯度与均匀金属蜂窝试件上底面温度,与数值模拟结果具有良好的一致性,同时揭示了梯度蜂窝在等热流边界条件下的换热机制。另外,采用数值模拟的方法评估了在恒热流加热条件下三维梯度蜂窝结构不同流体流向的对流换热性能。结果表明,在恒热流加热条件下新型三维蜂窝结构在不同流体流向下,虽然等效传热系数相似,但实际的加热面的最高温度(温控效果)差异巨大。相比于均匀蜂窝结构,加热面最高温度下降了21.23%。