热学中的相对论性动质量和动质能

相对论是近代物理学的基础理论之一,改变了人们基于牛顿力学框架的传统时空观,尤其狭义相对论中的质能方程深刻地揭示了质量和能量这两个自然界中最基本物理量的内在关联,该方程通常用于计算核变反应中的质量亏损和高能粒子加速器中的粒子能量.但需要指出的是,相对论和质能方程作为描述自然界基本规律的基础性理论,它的适用范围并不限定在核变反应和高能物理领域,在其他物理学分支中都具有普适性意义,热学也不例外.本文首先回顾了历史上相对论从时空观角度在热学中的一些应用,指出相对论和热学也具有内在联系.然后从相对论中质量传递的角度来研究热量的传递过程,即基于质能方程提出了热质和热质能的概念,热质和热质能是热学中的相对论性动质量和相对论性动质能.进一步基于热质理论建立了普适导热方程并给出其宏观和微观物理解释,阐明了出现热波等非傅里叶导热现象的物理原因.最后通过高热流密度金纳米薄膜导热实验初步证明了热质理论的正确性.     

膜换湿过程吸附热对传热过程的影响分析

对膜换湿过程中吸附热对传热过程的影响进行了理论研究，建立了考虑吸附热的传热过程的数学物理模型．通过分析得到了一个控制吸附热对膜过程中传热影响的无量纲数ψ=JLλ／δ（T10-T20），并分析了ψ对换热过程的影响．结果表明：温度梯度与传质方向相同时，有效热流方向会在ψ=1时发生变化．ψ〈1时，热量将由高温侧向低温侧传递，此时传质通量越大或两侧温差越小，总热阻就越大；而ψ〉1时，热质传递的综合效果是有效热流由低温侧向高温侧传递，此时传质通量越大或两侧温差越小，总热阻就越小．而传热方向与传质方向相反时，吸附热的存在会强化热量由高温侧向低温侧的传递，使得总热阻减小．传质通量J越大或温差越小，总热阻也就越小．     

机械密封端面间液膜摩擦热的传热规律

建立了由机械密封的动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统，研究了液膜摩擦热的传热规律．影响传热规律的主要因素有密封环对介质的给热系数、摩擦热流密度和摩擦热的分配系数等．推导了密封环与液膜的温度分布方程，在考虑液膜黏度随温度变化的基础上，对液膜的摩擦热和密封环的热变形进行了耦合分析，确定了变形端面之间的夹角．研究表明，液膜摩擦热对液膜特性和密封性能的影响显著，其不仅改变了端面间的间隙形式，而且使液膜黏度减小，导致泄漏率增加．传热系统的最高温度位于液膜内径处，绝大部分摩擦热通过动环传递到介质中．依据提出的传热分析方法，可确定密封环的最佳几何尺寸并选择合适的密封环材料．     

体材料热整流模型中的界面热阻效应

基于傅里叶导热定律,两种具有不同热导率温度依赖特性的材料组合而成的复合材料可以实现热整流.但是,此前的研究者大多忽略了复合材料界面处的接触热阻.本文在此热整流模型中引入界面热阻,并分析其对热整流效率的影响.计算结果表明,在一定条件下,较小的界面热阻有利于提高热整流效率;但是界面热阻较大时,其阻碍热流的特点起主导作用,会降低热整流效率.     

两流体换热器内粘性热对两流体（火积）的影响

以水和橄榄油为例研究了两流体换热器内只考虑传热引起的（火积）耗散的情况下,粘性热对换热过程中两流体（火积）的影响.结果表明,对于动力粘度较大的流体粘性热对两流体（火积）损耗的影响不能忽略.粘性热效应维持了流体的传热能力,使换热过程的（火积）的损耗幅度相对减小;粘性热效应增加了导热引起的熵产,使换热过程的可用能损失相对增加.对于动力粘度较大的流体,在换热面积固定的条件下当流体质量流率增加到一定程度时,粘性热效应对（火积）的贡献幅度甚至大于传热引起的（火积）的耗散幅度,从而使换热器内损耗的幅度随着质量流率的增加而减小.在其他条件相同的情况下,选择冷流体为较小热容流率的流体时传递单位热量下的传热（火积）损耗率和熵产率要小于选择热流体为较小热容流率的流体时传递单位热量的传热（火积）损耗率和熵产率.     

气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法

建立了气动热、气动弹性双向耦合高超声速二维曲面壁板颤振分析方法．基于柯西霍夫假设和冯卡门非线性应变．位移关系，建立了考虑几何非线性的二维简支曲板的气动．热．弹性分析方程；使用迦辽金方法对方程离散处理，采用四阶龙格．库塔法求解微分方程；三阶活塞理论用于气动力分析；使用参考温度法和平板气动热公式计算气动热．研究中重点考虑：1）气动热与气动弹性双向耦合，既分析气动热对结构刚度的影响，又分析气动弹性对气动热的影响；2）结构温度随飞行时间的积累效应；3）弦向和厚度方向非均匀温度分布的影响；4）曲面壁板的初始变形对壁板颤振发生时刻的影响．通过与传统的只考虑气动热．气动弹性单向耦合的分析结果进行对比，发现基于气动热和气动弹性双向耦合的壁板颤振分析结果更危险，这一点在精确分析中应当予以重视．     

微波加热陶瓷中热失控现象的分析与控制

对微波加热的热失控过程进行模拟，使用基于时域有限差分法fFDTD）的算法求解Maxwell方程和热传导方程（HTE）耦合的方程组，模拟了微波加热陶瓷板的温度变化过程．在施加不同微波功率的情况下，计算了微波加热下多种介质参数的陶瓷板的温度变化，分析了出现热失控现象的条件．提出一种单温度阈值双微波功率的控制方法，用于提高微波加热效率并且控制热失控现象．同时给出了该控制方法中最终施加微波功率与监视温度闯值的关系．本文的模拟和分析方法可以在微波加热技术相关的领域得到应用．     

超临界态煤油流动与对流传热特性数值研究

本文采用湍流模拟方法结合煤油的10组分替代模型对国产RP-3航空煤油在水平圆管中的超临界态流动及对流传热特性进行了研究.湍流模拟采用RNGk-两方程模型以及增强壁面处理方法,煤油热物性和输运参数的确定基于10组分替代模型,并采用广义状态对应法则（ECS）结合考虑真实气体效应的Benedict-Webb-Rubin方程计算.同时,通过网格无关性研究以及与煤油加热圆管实验数据的比较验证了数值方法的可靠性.在本文研究的流动条件下,对于壁面热流为1.2和0.8MW/m2的算例,当管壁温度略超过煤油的拟临界温度时将发生传热恶化现象,并且恶化程度随着热流密度的降低而减小;而在壁面热流为0.5MW/m2时则不再出现传热恶化.通过分析传热恶化前后近壁区湍流强度可知,传热发生恶化以及传热性能的再次恢复与近壁湍流强度的变化有关.经典的传热公式如Sieder-Tate公式、Gnielinski公式可以基本反映亚临界区煤油的传热关系,但不能预测煤油的传热恶化现象.而考虑超临界特性的Bae-Kim修正公式可以描述煤油的传热恶化.另外,研究发现：当煤油进入超临界态时,管道摩擦阻力将显著增加.     

太阳能热光伏系统性能分析研究

建立了太阳能热光伏系统（STPV）能量吸收及热辐射发电过程的数理模型，数值模拟了不同聚光器聚光比时辐射器的温度分布，研究了聚光比及辐射器温度对电池伏安输出特性及系统效率的影响．随着聚光比的增大，辐射器表面温度显著增高，电池的输出功率及系统效率也成直线增长；分析了影响系统效率的关键参数如滤波器、电池温度和辐射器上下端部材料表面反射率对系统性能与输出电功率的影响．计算结果证明了STPV系统的可行性，形成了高效STPV系统的优化设计方法．     

焊接热输入对MIG焊接熔池行为的影响

MIG焊接热输入包括焊接电弧热流和熔滴带入熔池的热焓量两部分. 根据电弧物理的基本原理和熔滴与熔池作用过程的物理本质, 建立了电弧热流密度在变形熔池表面以及熔滴热焓量在熔池内部的分布模型. 采用数值模拟技术研究了MIG焊接电弧热流密度分布、熔滴热焓量分布模式、焊接熔池几何形状、温度场及流场的相互影响规律, 并对计算模型的可靠性进行了实验验证.     

太阳能辅助燃煤一体化热发电系统研究与经济性分析

进行了太阳能与燃煤机组集成方式和集成机理的研究．利用抛物面槽式集热器收集太阳能，在与燃煤机组集成时，考虑2种系统的物质流和能量流的匹配，进行了集成方案的拟定．在研究太阳能热发生系统的热力特性以及对火电机组热力性能影响的基础上，建立了一体化热发电系统拓扑结构与参数的综合集成优化模型，对大量的集成方案进行了模拟分析，总结了太阳能辅助燃煤一体化热发电系统的集成规律并揭示了其耦合机理．最后对这种一体化发电系统进行了经济性分析，结果表明，考虑了CO2减排带来的环境效益后，这种技术太阳能部分的LEC成本为0．098$／kW·h，低于单纯太阳能热发电方式SEGS成本0．14$／kW·h．     

基于能量平衡与端元合成技术的地表热辐射场景动态模拟

地表热辐射场景动态变化模拟分析是热红外遥感领域研究热点之一.首先基于地表能量平衡方程和一维导热方程,建立地表温度二次谐波模型,模拟裸露地表温度日变化规律,并利用CUPID模型模拟植被冠层温度;其次利用高空间分辨率多光谱遥感影像的可见光-近红外光谱特征,提取植被、裸土、水体、不透水面等地物端元的覆盖比例及分布;最后结合地表温度模拟结果和典型发射率波谱,基于端元能量线性混合的假设,模拟地表热红外辐射动态场景.结果表明,地表温度日变化模拟值与实测值吻合较好,标准偏差在2.7℃以内;模拟场景可展现出清晰的纹理细节和较强的遥感成像真实感,场景热辐射特征与地物类型及其空间分布、成像时刻、观测角度均有关联.     

民机客舱热载荷的数值计算

以桌型客机为例，将客舱复杂围护结构划分为三部分。据此建立各区域单元结构的三维数值计算模型，并对不同外界环境下客舱的热流密度及传热量进行了数值仿真。结果与传统计算方法吻合良好，研究工作对于我国大型飞机热载荷的计算具有参考价值。     

考虑非线性多孔弹性介质热流固耦合动力响应模型

基于Biot波动方程及热弹性动力理论,Darcy定律及修正的Fourier热传导定律,考虑流固两相介质的压缩性,渗流速度对热扩散的影响及温度梯度对渗流速度的影响,建立了饱和多孔弹性介质热流固完全耦合的动力响应模型（THMD）及控制方程,该模型可退化为基于传统Fourier热传导定律的热弹性动力模型（TMD）.最后,利用Laplace变换分析了地表作用有随时间变化热/力源条件下的一维热动力响应问题,讨论了反映土体缩性的Biot模量、热水渗透系数对结果的影响,并与热弹性动力模型结果进行比较,验证了结果的正确性.     

基于格子Botlzmann方法的三维多孔介质中多相导热过程的研究

建立了模拟三维多孔介质中多相导热过程的格子Boltzmann模型，结合三维多孔介质重构算法，从孔隙尺度对CPL／LHP毛细芯中的瞬态导热过程进行了模拟，计算了不同条件下毛细芯内温度分布，分析了热负荷、孔隙率等因素对导热过程的影响，并计算了三维多孔介质的有效导热系数．     

基于Unscented Kalman Filter算法的一个快速路动态OD矩阵估计模型

基于主干道和匝道出入口的交通流量计数及起迄点旅行时间分布假设，论文提出了一个新的快速路动态Origin-Destination（OD）矩阵估计状态空间模型及其在线估计算法．论文通过引入一阶宏观交通流模型以计算OD旅行时间，并假定相同起讫点、相同时刻出发的车辆到达时间分布遵从正态分布．由于引入的宏观交通流模型参数受交通状况的影响，因此模型参数也作为状态变量进行估计，这将增加了新的测量方程．模型的求解采用了一种新的适合于非线性状态空间方程的在线估计算法（UKF，Unscented Kalman Filter）．特别地，论文考虑了约束条件下UKF算法截断问题，这将为运用UKF算法求解存在约束的其他模型提供了新的思路．模型运用了仿真数据进行评估．实验结果达到了很好的精度，这为处理动态OD估计问题提供了新的方法，并可应用于实际的在线动态OD估计．     

矩形液池中热毛细对流起振过程的数值模拟

本文数值研究微重力条件下浅液池中大Pr数流体(Pr=105.6)热毛细对流的转捩过程.当液池两侧的温度差超过临界温度差时,在液池中会出现热毛细振荡对流.振荡对流的涨落值远小于时间平均值,涨落值表现为从冷端向热端传播的热流体波.起振时,涨落值的胞元分布在液层的中心区域;随着外加温度差的增加,涨落值的胞元逐渐充满液层.本文的结果显示了有限延伸矩形容器液层中热毛细对流及其起振过程与其它类型热毛细对流不同的特征.     

HDPE／MWCNT复合材料薄膜热导率的激光脉冲法研究

采用激光脉冲法测量了高密度聚乙烯，多壁纳米碳管（HDPE／MWCNT）复合材料薄膜的热导率．研究发现热导率随MWCNT含量增加而升高，并且在MWCNT含量小于3．35vt％（体积百分比）时热导率随MWCNT含量增加变化的速度明显高于MWCNT含量高于3．35vt％的区域．当温度低于HDPE熔点时，热导率随温度变化很小，而当温度超过HDPE熔点时，热导率明显增大．提出HDPE／MWCNT复合材料的热导率与MWCNT导热网络的形成密切相关；并建立了热导率渗流模型，计算结果与实验结果基本相符．     

玻壳压制成型中残余应力的数学建模与模拟方法

玻壳成型过程中产生的残余应力对制品质量的影响很大．在分析玻壳成型特点的基础上，建立了玻璃压制成型过程中残余应力计算的数学模型，其中材料假定为热流变简单黏弹性材料，忽略了成型中的流动应力，讨论了模型问题的平衡推论及相容性方程，并详细分析了成型中不同阶段的边界条件．模型的数值求解采用了薄层理论，并通过空间上的分层离散和时间上的有限差分来进行．所提出的模型及求解方法可以很容易地扩展到通常的玻璃压制成型过程，也可用于分析许多与玻璃压制成型相关的问题，具有较广泛的参考价值．     

热光伏技术在飞行器再入过程中的应用

提出了利用热光伏技术将飞行器再入过程中产生的巨大气动热转化为电能的思路,给出了再入TPV 系统的初步构想, 并就气动热导入方式及光谱过滤器和选择性辐射表面对改善系统性能的作用进行了分析. 结果表明以SiC 作为导热构件较烧蚀材料能够更好地向系统传递气动热量, 提高电能输出, 但同时加重了系统冷却负荷; 采用光谱过滤器和选择性发射表面会使系统电能输出有所下降, 但可显著降低系统冷却负荷.