激光辐照生物组织双相位滞后模型的温度分析

针对激光照射下生物组织内的非傅里叶导热现象,采用双相位滞后生物传热模型(DPL模型)进行分析,并与Pennes模型、热波模型的研究结论进行比较。当τq和τT都非常小的时候,DPL模型的结果接近于传统的傅里叶热传导方程;当τq增加的时候,它趋于引起更多的热波效果。对于DPL模型,τq和τT取不同的数值,模型中的非傅里叶导热表现为不同的形式。此研究结果对医学中的激光临床问题具有一定的理论指导作用。     

Study on thermal wave based on the thermal mass theory

The conservation equations for heat conduction are established based on the concept of thermal mass. We obtain a general heat conduction law which takes into account the spatial and temporal inertia of thermal mass. The general law introduces a damped thermal wave equation. It reduces to the well-known CV model when the spatial inertia of heat flux and temperature and the temporal inertia of temperature are neglected, which indicates that the CV model only considers the temporal inertia of heat flux. Numerical simulations on the propagation and superposition of thermal waves show that for small thermal perturbation the CV model agrees with the thermal wave equation based on the thermal mass theory. For larger thermal perturbation, however, the physically impossible phenomenon predicted by CV model, i.e. the negative temperature induced by the thermal wave superposition, is eliminated by the general heat conduction law, which demonstrates that the present heat conduction law based on the thermal mass theory is more reasonable. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50606018)     

周期震荡温度场非傅立叶分析

从双曲线型热传导微分方程出发,研究了当边界条件为高频周期加热的第一类边界条件时,其温度场的分布情况,并与从抛物8线型导热微分方程出发的热扩散情况下的温度场进行了对比。结果表明,在瞬态导热过程中,温度场是一种与扩散机制完全不同的热波,本文还对热波及其产生的条件进行了深入的分析,指出松驰时间的大小和外界热扰动的数量级大小以及材料的热尺度等是决定是否应该考虑非傅立叶效应的主要因素。     

直接金属选区激光多道烧结温度场有限元模拟

局部输入的集中移动激光热源势必造成直接金属选区激光烧结过程中温度场分布不均匀、不稳定。研究多道激光烧结对掌握烧结过程中温度场动态分布及不同烧结道的相互影响规律具有重要意义。在考虑随温度变化而变化的热传导、比热容等热物性参数的作用下，建立直接金属多道烧结的三维温度场有限元模型。采用ANSYS参数化设计语言模拟多道烧结的热源移动，用焓处理相变潜热的影响。模拟结果显示：随着烧结过程的进行，随后的烧结道具有越来越大的热影响区域，且热影响区域的不均衡性越来越明显；极大的温度梯度发生在激光束扫描方向改变时的烧结件边沿区域。模拟结果的最高温度、平均温度与先前的实验结果一致。     

多波段激光合束镜温度适应性分析

环境温度是激光合束镜设计过程中需要考虑的重要因素。研究了实际应用中环境温度对合束激光光束质量产生的影响。对高功率红外激光常用的材料Zn Se建立光-机-热集成仿真,利用瞬态导热方程和应力应变平衡方程对温度场,应力场进行仿真计算。将离散的有限元数据提取后通过Zernike多项式拟合镜面畸变。并将透镜折射率的变化转变为光程差的变化,求得出射激光远场光强分布、β因子、环围能量比BQ作为激光光束质量的评价标准。在环境温度(-40℃~+50℃)条件下,长波段激光光束质量保持较好,其β因子最大值为1.761;短波段激光光束质量接近衍射极限,其β因子最大值为1.072。结果显示在环境热冲击下通过合束镜的长波激光以及短波激光保持了良好的光束质量,满足合束镜环境温度使用要求。     

6061铝合金表面激光熔覆温度场的仿真模拟

利用连续波Nd:YAG固体激光在6061铝合金表面激光熔覆SiC陶瓷粉末，采用ANSYS有限元软件对6061铝合金激光熔覆过程中热量传递及温度场分布进行模拟，在分析过程中采用三维单元，并考虑了材料热物性的非线性及对流和辐射的边界条件，建立了有限元模型，得出了熔覆过程中试样表面的温度分布模拟图.结果表明，温度场模拟等温线呈椭圆形，在移动热源的前方等温线密集，温度梯度较大，热源后方的等温线稀疏，温度梯度较小，熔池内最高温度与激光扫描速度、光斑半径均成反比，与激光功率成正比.模拟结果为陶瓷金属基复合材料激光熔覆工艺参数的优化提供了理论依据.     

单井地热供暖关键因素分析

基于地热井内流体的流动换热方程以及岩石的能量方程,研究井直径、岩石导热系数、井深和地温梯度对采出水温度和采热功率的影响. 结果表明：单井采出水温度、采热功率和岩石温度场均随时间衰减,第1、10、20个供暖季对应的平均采热功率分别为755.01、660.02、639.42 kW,上述数据可用于热泵选型. 对于20 a的供暖期,当两井间距为200 m时不会产生热干扰;岩石导热热阻远大于井内对流热阻和井壁导热热阻,降低岩石的导热热阻是提高采热功率的最有效手段;增加井直径和岩石导热系数可以降低岩石导热热阻;岩石导热系数每增加0.5 W/（m·K）,采热功率增加100 kW;增加地温梯度和井深可以增大岩石和流体之间的传热温差,提高采热功率;地温梯度每增加10 K/km,采热功率增加213.54 kW.     

小样品低温动态传热的行波解

研究了小样品在过冷液氮中快速运动时瞬时动态传热特性．根据双曲型热传输理论推导了该系统中温度场的行波解，结果表明小样品的传热明显遵循波的特性；同时导出了无量纲的冷却速率随热马赫数的增加而增加．说明提高小样品的运动速率有利于提高冷却速率．比较了理论和实验温降曲线，两种曲线的一致性．说明按双曲线模型理论计算小样品的低温动态传热是可行的．     

基于纯声子散射模型的纳米薄膜热传导分析

起粘结作用的薄膜结构厚度达到纳米尺度时,应用由微尺度观点建立的非傅立叶热传导模型分析其性能。文章采用纯声子散射模型分析绝缘薄膜结构的温度场和热应力,并与用在宏观尺度下的傅立叶热传导模型所得结果进行比较,同时研究绝缘薄膜结构热物理性能参数对温度场和热应力的影响。研究表明：采用纯声子散射模型分析结果与傅立叶热传导模型所得结果有明显区别,绝缘薄膜结构热物理性能参数对温度场和热应力也有显著影响。     

Analysis of the heat transfer in unsymmetrically heated triangular microchannels in slip flow regime

Theresearchontheflowandheattransferinvariousmicrochannelsisafrontierintheheattransferfield.Theadvantagesofcompactstructureandhighspecificheattransferperformancemakeitpossibletousethemicroheatexchangerswithvariousmicrochannelstograduallysolvethecoolingproblemofhighheatfluxinthefieldsofmicroelectronicsengineering,lowtemperaturesuperconductorstechnology,spaceengineering,Micro-Electro-MechanicalSystem(MEMS)andsoon.Generally,thecharacteristiclengthofthedevelopingmicroscalethermalandfluidicsystem…     

有限厚度材料内不同导热模型一维温度场的计算

分别采用抛物线导热模型和双曲型导热模型对有限厚度材料内部的热传导进行了研究,通过理论分析和数值计算,发现在不同导热模型下,材料内部的温度场分布有十分显著的差别,特别在双曲型导热模型下,材料内会出现过热或过冷的等非常规现象,这对于生物质传热和激光加工过程中温度的控制有重要意义。     

非傅立叶模型层状复合陶瓷结构热传导分析

用非傅立叶热传导模型分析层状复合陶瓷结构的温度场,并与单热涂层结构的结果进行比较,同时进一步研究了夹层热物理性能参数对温度场的影响。研究表明：夹层可以有效地减缓内部结构的温度变化,夹层热物理性能参数（如：松弛时间、声速）对结构层的温度场有明显影响。     

脉冲串毫秒激光对单晶硅的热损伤

单晶硅广泛应用于光电系统领域,在激光作用下易于造成热损伤,其性能将发生显著变化。针对高精激光武器和激光精细加工产业的迫切需求,本文研究脉冲串毫秒激光作用单晶硅的热损伤问题,分析激光能量密度、脉冲个数等与热损伤的重要特性参数温度的关系,探索损伤规律和机理。从仿真和实验两方面对脉冲串毫秒激光对单晶硅的热损伤进行研究。基于热传导方程建立毫秒脉冲激光辐照单晶硅的热损伤模型,利用有限元、有限差分方法求解脉冲串毫秒激光作用单晶硅的温度场,模型中引入等效比热容的方法处理熔融和汽化后的相变问题,实现了对模型温升的修正。构建毫秒脉冲激光损伤单晶硅的温度测量系统,利用高精度点温仪对脉冲时间内的激光辐照中心点温度进行实时测量。研究结果表明,脉冲串激光作用单晶硅靶材时,激光辐照中心点及径向、轴向位置具有温度累积效应,径向温升范围远大于轴向;随激光能量密度增加,温度累积效应显著;随着脉冲个数的增加,单晶硅靶材熔融固化时间和从熔点降至常温的时间加长;激光脉冲个数增加90个时,单晶硅热损伤阈值下降到单脉冲损伤阈值的73.8%;当脉冲个数增加后,单晶硅损伤面积增大。实验与仿真研究结果对比可以看出,两方面研究结果的规律基本一致,仿真模型可以合理的描述毫秒脉冲激光损伤单晶硅的过程。     

模拟准脆性材料热开裂的热力耦合格构离散单元法

针对准脆性材料的热传导与热开裂问题,基于格构离散单元法（LDEM）提出新的热力耦合数值模型. 通过格构离散体系与连续体传热过程的等效换算,结合格构单元的线膨胀公式,在LDEM中实现温度传导与裂纹扩展的数值模拟. 以平板的热传导与热弹性应力问题、由温度梯度与热失配引起的开裂问题为例,验证所提模型. 将所提模型应用于细观混凝土温度?应力试验的数值模拟中. 结果表明,LDEM热力耦合模型能够有效模拟准脆性材料的热传导过程、在温度影响下的裂纹萌生与扩展,是研究准脆性材料热开裂过程与机理的有力工具.     

液体激光器中温度分布的耦合分析

介质的流动改善了液体激光器温度分布的均匀性,起到了自我冷却、减小热效应的作用。应用有限单元法,对单侧泵浦液体激光器工作时涉及的传热和流动过程,进行热-流-固耦合分析,完成对液体介质温度场的数值模拟,并研究了介质流速对温度场的影响。研究结果可为改善液体激光器的冷却效果提供指导。     

多脉冲激光辐照增透膜产生热应力的数值模拟

研究并建立了多脉冲激光辐照Al2O3增透薄膜及K9玻璃基底的物理模型,采用有限元算法求解相应的热传导方程和热应力方程,得到了材料内部热应力场分布。数值模拟结果表明,材料内部环向力起主导作用,且温度冷却时,残余环向热应力沿径向移动,在低频情况下,先发生热应力损伤的是基底,后发生热应力损伤的是薄膜。研究成果可为激光与薄膜相互作用机理以及薄膜的抗激光损伤提供一定的理论依据和指导。     

激光辐照旋转飞行靶温度场数值模拟

以激光辐照旋转飞行靶为研究背景,考虑激光的大气传输,以及激光辐照面积和功率密度分布随靶目标旋转和飞行的变化,建立激光辐照热传导模型;利用有限容积法,得到靶目标三维温度场的数值解;分析目标旋转速率对温度场分布以及炸药热爆炸的影响。分析结果表明：靶目标旋转速率越大,靶表面最高温度值越小,热量越不容易集中,越不利于炸药的热起爆。     

一种基于热线法的横观各向同性材料导热系数的测量方法

材料的导热系数是其重要的热物理特性参数之一,高效地测量各种材料的导热系数具有较重要的实际工程意义.在工程上,有较多材料具有横观各向同性的性质.对于横观各向同性材料导热系数的测量较常用的方法为稳态热平板法.该方法通过在不同方向上对试样施加热流,在材料内部产生稳态的温度分布,通过热流与温度梯度的关系反算导热系数.稳态热平板法基于稳态传热理论,原理简单,但耗时较长,对于待测试样较多的情形,具有一定局限性.热线法基于瞬态传热理论,是一种简单快捷的材料导热系数测量方法.本文基于横观各向同性介质中的热传导理论,对热线法进行了功能拓展,建立了一种利用热线法测量横观各向同性材料导热系数的新方法.将此方法应用于自制的人工横观各向同性材料,并将测量结果与相应的稳态平板法所得结果进行了比较.比较试验结果表明:只要测量过程中实际的探针-试样系统与其对应的理想模型之间具有较高的接近度,即能保证本文方法所得结果的可靠性及可重复性.     

三维瞬态激光烧蚀聚合物微流道动态界面研究

相恒富，傅建中，陈子辰相恒富，傅建中，陈子辰为了预测热加工过程中的流道轮廓和烧蚀面温度场，基于CO2激光直写聚合物微流体芯片加工原理以及传热学原理和能量平衡原理，建立了三维瞬态激光烧蚀模型.通过有限元方法和伽辽金变换得到有限元矩阵方程，利用单元生死技术和高精度数值算法模拟了烧蚀过程的材料损失，并给出了三维瞬态动态烧蚀界面和温度场随时间和空间的变化关系.以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为例，给出了在不同时刻的数值算例，实验得到的流道深度与模拟结果吻合.仿真结果表明采用该方法预测流道轮廓和温度场是可行的.     

液冷系统中均热板气液相变的热质传输模拟

为提高电池热管理液冷系统的均温性,研究一种铝槽式均热板和直流式液冷板相结合的复合液冷系统,并建立相应的三维传热模型。采用Volume-of-fluid(VOF)多相流模型,模拟均热板槽道内丙酮工质的气液相变过程,以及与液冷流道的耦合传热过程,并将模拟结果与实验结果进行了对比,验证了模型的正确性。研究结果显示,均热板可以提高液冷系统散热过程中的均温性,加热表面的温差可以控制在2.72 K以内。通过机理分析发现,其原因与均热板内部气液工质的热质传输过程有关。在液冷系统冷却液沿程温升的影响下,均热板腔室中的丙酮气相工质在长度方向上存在定向输运现象,相变产生的蒸汽会携带热量从高温区往低温区流动,从而抑制液冷板低温冷却水对加热表面温度分布的影响,提高了均温性能。