基于近场动力学理论的功能梯度材料瞬态热响应研究

基于近场动力学(peridynamics,简称PD)理论推导了功能梯度材料(functionally graded materials,简称FGMs)的热传导控制方程,给出FGM简化微热导率模型与PD热传导方程离散过程及数值计算格式。编写了PD热传导数值计算FORTRAN程序,并与有限元解及解析解对比验证了程序正确性。计算了以钛合金表面涂覆氧化锆的FGM矩形板温度分布,研究了组分分布形状、孔隙率以及边界温度对FGM瞬态热响应的影响。结果表明:组分形状分布系数增大,使得陶瓷材料占比提高导致FGMs隔热性能增加;孔隙率对温度分布的影响随传热时间的增加而增加,导致FGMs隔热性能降低;温度荷载的升高只会影响FGM陶瓷区一定厚度内的温度响应,该温度分布厚度随传热时间的增加而增大。     

边界不同恒温时功能梯度板平面稳态温度场

假设热导率沿功能梯度板高呈指数函数形式分布,基于该板的平面稳态热传导基本方程,用分离变量法,导出边界不同恒温时该板的平面稳态温度场的级数解析解,与有限元解对比,两种方法的最大节点温度误差0.86％.通过数值计算,获得了该板的平面稳态温度场分布,研究了板的梯度参数和几何组成对温度场的影响.主要结果表明:板内的温度场分布对称于过形心的y轴;随着梯度参数值的增加,板内的高温区向左右两边界和下边界逐步扩展;随着板高的递减,板内中下部的温度分布趋于平缓.因此,可选择适合的梯度参数和几何组成来满足设计、应用和热应力分析的需要,所获得的解析解可作为检验其他近似方法的参考标准.     

散斑纹影照相法用于传热研究

本文应用散斑纹影技术测量自然对流边界层内的温度分布及换热系数.导出了测量二维温度场的计算公式,讨论了此方法的灵敏度与测量范围.实验结果与理论解相吻合.     

气体绝缘开关设备母线传热模型的建模与分析

利用有限元方法耦合计算涡流场、流体场及温度场,实现气体绝缘开关设备母线温度预测.根据传热学及流体动力学理论建立母线各组分辐射换热方程及对流换热微分控制方程,给出了模型边界条件,计算出母线的温度场分布.根据计算结果,确定了母线外壳及导体表面的分布对流换热系数,分析了母线对流与辐射换热百分比.与工程算法的对比表明,该方法能够准确预测气体绝缘母线导体及外壳温度,对于正确了解气体绝缘开关设备母线的温度分布状况具有一定意义.     

滚动轮胎稳态温度场的研究

运用有限元分析方法,建立热学分析模型,对滚动轮胎稳态温度场进行研究。通过模拟给出了温度场分布云图,并分析了对流换热系数和导热系数对温度场的影响。     

水火弯板数值模拟中的水冷换热边界条件研究

在水火弯板过程数值模拟中,对流换热边界条件尤其是水冷对流换热边界条件对数值模拟的结果影响很大,其水冷对流换热系数的求解一直是水火弯板数值模拟中的一大难题.这里采用流动沸腾换热理论对水火弯板数值模拟中的水冷对流换热边界条件进行了研究,通过求得过冷水流动泡态沸腾起始点(ONB)和过冷水流动泡态沸腾临界点(CHF)的壁面过热度,比较水火弯板过程中钢板表面各处的温度和这2个壁面温度以确定冷却水的状态,根据冷却水的状态分别求其对应的过冷水单相流动对流换热系数和过冷水流动泡态沸腾换热系数.采用沸腾曲线对流换热边界条件和流动沸腾换热边界条件的数值模拟结果进行比较,结果表明流动沸腾换热边界条件的数值模拟结果精度明显提高,具有较高的研究价值.     

一种应用于结构抗火模拟的新型板单元

局部火灾下,钢框架结构中直接受火的楼板在辐射和对流换热作用下产生的热变形是值得关注的。为了准确地预测这种变形,推导了一种能同时考虑板厚平均温度和温度梯度的板单元有限元格式,用以分析受火楼板的热力学响应。假设该种板单元温度沿厚度方向呈线性分布,把辐射和对流换热条件以热量的形式代入传热学场方程,并假设热量沿厚度方向也呈线性分布。对该种板单元瞬态温度场和热变形的实例计算表明,数值解和理论解符合得较好,同时发现是否考虑板厚温差导致的热弯曲对该种板单元的热变形分析影响很大。     

钢筋混凝土板温度场的非线性有限元分析

为能够有效地确定钢筋混凝土板的温度场,基于经典温度场理论,提出水分修正系数以考虑其湿阻作用,编制了混凝土板温度场的非线性有限元程序;利用程序分析水分修正系数对板温度场的影响,对比表明水分修正系数取值2.0时,计算结果与试验结果吻合良好.在工程常用范围内,分析了导热系数、蒸发温度值、混凝土初始密度、对流系数和辐射系数等参数对板温度场的影响规律.结果表明:导热系数是影响板截面温度分布的主要因素,受火面辐射系数和背火面对流系数是次要因素;蒸发温度值对板背火面附近温度平台有重要影响;混凝土初始密度、受火面对流系数和背火面辐射系数对截面温度场的影响较小.     

沥青路面非线性瞬态温度场的分析

沥青路面温度场属于非线性瞬态温度场,其微分方程难于求得解析解.通过对进入路表的对流换热、太阳辐射及辐射换热等方面进行全面地分析.其中包括采用有限元按平面问题进行瞬态温度场的分析,在空间域上采用有限元离散,在时间上则采用差分法.通过与实测的结果比较分析可见,在正确的掌握边界条件、路面材料特性参数及本地区气候条件情况下,能够可靠地计算出不同位置、不同时间路面结构的温度分布.以便于进行温度应力的计算.     

水平圆管表面自然对流换热的数值模拟

大空间水平圆管自然对流换热由于圆管上方存在的羽状区、圆管壁温不能保持绝对一致、测试腔尺寸设计不合理等因素影响而有各种不同解.利用Fluent对大空间水平圆管自然对流换热进行了数值模拟;基于光学理论得到纯背景剪切干涉模拟条纹.将通过数值模拟得到的温度场数据和纯背景剪切干涉模拟条纹进行叠加得到热稳态时的剪切干涉模拟条纹.模拟结果表明:热稳态时的剪切干涉模拟条纹和实验条纹十分类似;将两种条纹进行对比可以检验实验中需要改进的地方,从而得到关于水平圆管自然对流换热更精确解.     

风冷散热器仿真中对流换热系数的计算方法

对风冷散热器进行温度场仿真,需要计算对流换热系数的值。根据导热理论,建立功率半导体器件及其散热器风冷的物理模型,给出对流换热系数的计算公式,以及干空气不同温度条件下计算公式中各参数的取值表,提出仿真时对流换热系数的调整流程。通过仿真和实验,验证了对流换热系数计算方法和调整方法的正确性。     

梯度材料三维稳态温度场的改进分层计算方法

针对每层热传导系数为常数的分层计算模型，采用功能梯度材料（FGM）每层热传导系数为指数变化规律，对原计算模型进行改造，消除了每层热传导系数跳跃性，得到稳态温度场的温度分布计算公式。计算结果表明，精度相同时，热传导系数为指数变化规律分层计算模型收敛速度是热传导系数为常数的分层计算模型的3倍多，精度越高，收敛速度越快。     

多孔FGM矩形板的自由振动与临界屈曲载荷分析

功能梯度材料(FGM)的特性与孔隙量有密切的关系,孔隙率会影响FGM的弹性模量、泊松比和密度等.依据经典薄板理论和Hamilton原理建立了四边受压多孔FGM矩形板自由振动和屈曲的数学模型并对控制方程进行无量纲化.运用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程及其边界条件进行变换,经过迭代求解,得到多孔FGM矩形板的无量...     

自然对流条件下两种垂直放置纵向翅片管传热特性的数值分析

采用数值计算的方法对垂直放置的封闭式纵向翅片管和开放式纵向翅片管自然对流条件下的传热特性进行研究,得到了在基管恒壁温条件下两种不同类型翅片管周围的温度场与速度场,及其散热量、金属热强度及自然对流换热系数.结果表明,封闭式纵向翅片管的散热量、金属热强度以及自然对流换热系数都要高于开放式翅片管.因此在结构参数一定时,封闭式纵向翅片管要优于开放式翅片管.     

微钢管轴向导热对对流换热的影响

以氮气为工质,流过内径为168μm、外径406μm微钢管,采用直接通电法进行加热,并使用红外成像仪加红外专用放大镜头测量了在恒定的流量下、不同加热功率以及相同加热功率、不同流量下的微钢管壁面的温度场,获得精确的微管外壁温度分布,同时测量了氮气的进出口温度和流量.根据实验结果分析了微管轴向导热对管内部对流换热的影响.研究表明,在氮气为工质下,微钢管轴向导热导致内部换热的减弱,减少量超过总对流换热量的2%.     

碳纤维混凝土梁电热效应驱动下的变形分析

在输入稳定通电功率条件下,利用热传导理论导出了碳纤维混凝土梁电热效应驱动下的内部稳定温度场及其位移理论公式,并导出了梁的上下表面温差及变形与输入功率的关系.通过碳纤维混凝土梁电热效应驱动下的变形实验,证明了理论模型的可信度,并由此确定了该混凝土的热导率和在该实验条件下的对流换热系数等有关物理参数,这将对机敏混凝土梁的变形自调节研究具有指导意义.     

机床有限元热分析中对流换热系数的计算方法研究

计算对流换热系数是机床有限元热分析中的一个关键问题。以龙门加工中心的Y向丝杠螺母进给系统为例,提出一种将实验数据与神经网络计算相结合的对流换热系数计算方法。该方法以丝杠螺母进给系统有限元分析模型为基础,利用有限元热分析数据建立了一种反映对流换热系数与温度场之间变化关系的神经网络,并以温度实测值作为该神经网络输入量,计算出对流换热系数的数值。从与实验以及相似性计算方法的比较中可以看出本文计算方法有较高准确性和实用价值。     

局部热非平衡多孔介质圆管非达西强迫对流换热分析

对流体饱和多孔介质圆管内局部热非平衡情形下非达西强迫对流的换热性能进行数值模拟.首先利用Brinkman流动模型和局部热非平衡模型建立研究问题的数学模型,预测强迫对流换热.然后使用COMSOL Multiphysics仿真软件对模型求解,获得无量纲渗流速度场、固体骨架温度场、流体温度场和努塞尔数(Nu).此外,详细分析Nu对某些关键参数的依赖性.研究发现,随着达西数(Da)和毕渥数(Bi)的增加,Nu先增加后趋于渐近值;贝克来数(Pe)的增加会导致Nu单调增加;相反,流体有效热导率与固体骨架有效热导率之比(即导热比κ)和流体有效动力黏度与实际动力黏度比(即黏度比M)的增加将导致Nu先减小后趋于渐近值.所得模型和数值结果既可用于提高工程中多孔介质圆管换热能力,也可为相关实验和解析研究提供参考.     

建筑外壁面换热系数对室内自然对流传热影响

为研究建筑外壁面换热系数与供暖室内自然对流换热的关联性,采用修正的湍流k-ε模型对外墙外壁面不同换热系数情况下的室内自然对流换热过程进行了数值分析并对比了热负荷值。结果表明:在满足室内供暖温度(18℃)要求条件下,考虑外界辐射和蒸发对外壁面换热过程的作用(外壁面换热系数取8.1 W·m-2·°C-1),所得散热器表面的换热能力要低于按照暖通设计规范取值(外壁面换热系数取23.3 W·m-2·°C-1)所得结果,两种取值方式对室内温度场和舒适性的影响很微弱,但所得室内热负荷之间的差异达到了6.2%。     

套管换热器换热特性的数值分析

采用三维模型数值模拟了套管的换热特性,分析了套管换热器出口位置、倾角对套管对流换热性能的影响,选择给出了部分截面上的温度、Nusselt数(Nu)和对流换热系数的分布.结果表明:套管出口位置对换热量有重要影响,而倾角对换热量影响很小;温度在热边界层内发生剧烈变化,外管壁面温度变化不明显;对流换热系数随雷诺数(Re)(2 650～10 800)的增加而增加.将Nu的计算结果与Kays和Leung的解析解作了比较,二者吻合很好.