基于理论的圆柱体热源构形

基于构形理论和理论,以当量热阻为目标对层流冷却条件下的圆柱体热源进行构形研究,分析热源直径和导热系数对其传热性能的影响.结果表明:在热源体积一定的条件下,不存在最佳热源直径使得其当量热阻取得最小值.随着热源直径的减小、导热系数的增大,热源当量热阻减小,此时热源系统的整体传热性能得到提高.此外,圆柱体热源表面温度沿来流方向逐渐增大,且其表面换热系数沿来流方向逐渐减小.本文所得结果对热源的优化设计有一定的参考价值.     

InGaAs/InGaAsP超晶格薄膜导热系数测试

采用3ω方法在100~320 K温度范围内测试了不同周期长度的InGaAs/InGaAsP超晶格薄膜的导热系数. 结果表明对于周期性超晶格结构, 随着温度的升高, 热传导能力下降; 比较周期长度不同的超晶格结构的测试结果, 发现导热系数会随着周期长度的增大而减小, 并在某一周期长度取得最小值, 但随着周期长度的进一步增大, 导热系数又出现上升趋势, 表明在长周期超晶格结构中界面热阻是影响声子传输的主要因素. 理论计算表明, 对于短周期的超晶格结构, Bragg反射是造成产生最小值的原因之一, 由于声子穿透率的下降, 造成导热系数随着周期长度的增大而减小. 理论与实验研究结果表明, 随着周期长度的增大, 声子的传输规律由声子的波动性过渡到粒子性, 这对实现声子的剪裁具有重要意义, 为设计超晶格结构提供理论基础.     

多组相变材料多个热物性的同时测定性

相变储能可应用在许多领域.相变材料(PCM)的热物性对其筛选和应用有重要意义.PCM的比热和潜热的测量方法一般可分成3类:常规卡计法、差热分析法(DTA)和差示扫描量热法(DSC).虽然DTA和DSC法优点很多,但缺点也是明显的:所用试剂很少(1～10mg),导致试剂的热物性常常与实际应用中的大块材料和热物性有差别;不能测定导热系数和热扩散率.常规卡计法几乎都不能同时测定多种PCM试样的比热、潜热、凝固点和导热系数,且PCM的相变过程不易观察.鉴于上述,我们发展了一种能够测定多组相变材料凝固点、比热、潜热、导热系数和热扩散系数的新方法——参比温度曲线法.     

测定生物软组织导热系数的微型热针

近年来我国在热物性研究领域开展了大量工作,并获得了许多成果,但涉及生物和医学工程的生物软组织导热系数的测定尚处于起步阶段。本文作者在国内首次利用微型热针对猪肉类和内脏器官进行了测试,获得了满意的结果。这种微型热针具有使用方便、测试时间短、     

基于火积耗散率最小的“盘点”导热构形优化

基于构形理论, 以火积耗散率最小为优化目标, 对“盘点”导热进行了构形优化, 并确定了圆盘中高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点. 结果表明, 两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积决定了该临界点的位置; 基于火积耗散极值原理可以设计出圆盘传热性能最优的构形. 对比分析以火积耗散率最小和最大温差最小为目标的优化结果, 发现分别对应两种优化目标的最优构形明显不同. 当两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积值为30时, 对于前者, 高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点为圆盘无量纲半径等于1.75, 而后者的临界点为圆盘无量纲半径等于2.18. 前者的最优构形相比后者的最优构形可以较大程度降低圆盘的平均传热温差, 明显地改善了传热性能.     

矩形腔内接触熔化过程的熵产

Gordon等曾对矩形腔内的一维非接触熔化进行了熵产分析,得到最优的加热熔化方式.不过由于他们假设了熔化过程液体层内完全线性导热的条件,因此,所得结果有较大的局限性.本文则要讨论接触熔化过程的熵产.     

金属泡沫固体复合材料的周期性非稳态热响应特性

金属泡沫是一种高导热性多功能材料,内部传热有明显的局部非热平衡特性,而在导热中的热响应特性与外界环境密切相关.本文基于两方程模型研究了填充固体石蜡的金属泡沫复合材料在非稳态过程中的热响应特性.结果表明,金属泡沫与石蜡间存在局部非热平衡效应,需采用两方程模型计算.当环境温度随时间作周期波动时,金属泡沫内温度场也呈周期波动,并且,随环境温度波动周期的增大,局部非热平衡效应先增大后减小,即存在一个共振周期使得局部非热平衡效应最明显.在外界温度波动幅度一定时,金属泡沫内温度振幅随波动周期的增大呈对数趋势增大,不同位置振幅的衰减程度不同,距加热面越远衰减越多.本文还详细讨论了金属泡沫的孔隙率、孔密度、热扩散率,以及石蜡中含纳米颗粒添加物对复合材料热响应特性的影响程度.在实际应用中,应综合考虑这些影响因素,从而使该复合材料的换热性能达到最优.本文揭示了金属泡沫导热中金属骨架相和填充固体相的温度差异,对于多孔介质非稳态热传导的局部非热平衡特性具有直接的科学意义.     

导热和自然对流对石蜡定向熔化特性的影响

相变散热器在有效保障功率瞬变、间歇性工作电子器件安全运行方面具有极大潜力.针对现有相变散热器性能亟需进一步提升的问题,本文通过改变加热位置和添加泡沫铜,实验探究了石蜡在导热+自然对流、导热、导热增强+自然对流抑制以及导热增强4种作用条件下的定向熔化特性.研究发现,在导热和自然对流同时作用条件下,石蜡的温度经历缓慢上升、极速上升、缓慢波动和继续上升4个阶段,自然对流的作用可将相变散热器的有限保护时间从导热作用时的483 s延长至4400 s.虽然添加泡沫铜能降低石蜡内部的温度梯度,但会延长自然对流作用的起始时间、缩短作用时长以及削弱作用强度,导致自然对流的作用权重比从8.1降至0.72,有效保护时间仅提升80 s.因此,采用相变材料(phase change material, PCM)散热器冷却低热流密度的电子器件时,应优先强化工质熔化过程中的自然对流,随着热流密度的增加,再逐渐强化其导热性能.     

多孔介质的相变和热化学储热性能

探讨了利用多孔材料增加相变和热化学储热功率的可行性,研究了金属泡沫和膨胀石墨添加在储热材料中对储放热过程的影响.低温相变材料采用的是石蜡,高温相变材料采用的是硝酸钠,热化学储热工质对采用的是镁/氢化镁.实验研究了两种相变材料在开孔金属泡沫中的储放热过程.对膨胀石墨质量分数分别为3%,6%和9%的石蜡/膨胀石墨复合相变材料也进行了研究,并与采用金属泡沫的复合相变材料进行了对比.结果表明,金属泡沫具有更好的传热能力,主要因其具有膨胀石墨所不具备的内部连通结构.但是,金属泡沫会抑制液态区的自然对流,特别是对于低黏性的相变材料,因此导致了在固态区、固液共存区和液态区具有不同的传热特性,表明金属泡沫并不是在每个区域都能增强换热.数值研究了热化学储热材料在加入金属泡沫前后的放热过程.在热化学储热中加入金属泡沫,可使反应床平均温度下降,明显提高放热功率.同时,由于放热反应存在最佳反应温度,在一定氢气压力和壁温条件下,通过加入不同孔隙率的金属泡沫对放热功率进行研究,表明反应床加入的金属泡沫存在最佳孔隙率,使得床层整体温度更接近最佳反应温度,实现放热功率最大化.     

金属纳米薄膜中稳态非傅里叶导热的实验

作为传热学理论的基本规律,傅里叶定律对于常规条件下的导热都是适用的.针对瞬态条件下的热波现象和非傅里叶导热已有不少理论和实验研究.近年来,热质理论指出在低温、极高热流密度的稳态条件下也会出现非傅里叶导热现象,其物理本质是热质惯性力作用不可忽略的体现.利用液氦制冷系统,在低温环境中对大电流加热条件下金属纳米薄膜中的导热过程进行实验研究,实验中可以产生高于1×1010Wm-2的热流密度.通过对不同金属纳米薄膜样品的重复测量,结果显示金属纳米薄膜平均温度明显高于傅里叶定律的预测值,并且温差随着热流密度的增加、环境温度的减小而逐渐增加,表明非傅里叶导热现象的存在,同热质理论的预测规律一致.     

多晶块材热电材料Seebeck系数的晶粒尺寸效应

基于Boltzmann输运方程, 在考虑晶界散射效应并将晶界散射作为电子输运边界条件的基础上, 建立了多晶块材热电材料的Seebeck系数的理论预测模型. 进而研究了多晶块材热电材料的Seebeck系数晶粒尺寸效应, 探讨了透射率、温度和平均自由程等对Seebeck系数的影响. 结果表明, 本文的理论模型能有效预测多晶块材热电材料的Seebeck系数的晶粒尺寸效应, 且与相关实验结果具有较好的一致性. 透射率、温度以及平均自由程等对Seebeck系数的晶粒尺寸效应也存在明显的影响.     

修正表面张力系数的包膜气泡动力学模型

基于包膜造影剂气泡的实际应用, 在传统的三层模型基础上提出了一个修正的动力学模型来描绘包膜气泡的动力学行为. 通过衔接三层模型中包膜的两个边界条件, 得到一个两层模型并简化了方程的结构. 为了使动力平衡更加准确, 在建立边界条件时考虑了包膜质量, 并将包膜层厚度与气泡半径的关系具体化. 更为重要的是, 我们对绝大多数文献中的表面张力系数不变的假设进行了修正, 认为其随半径变化呈非线性变化, 且通过数值计算对表面张力系数修正带来的变化进行了讨论. 此外, 我们应用本文模型对实验得到的Optison及Sonozoid微气泡的动力学曲线进行了拟合, 并与其他经典模型的拟合结果进行了比较, 结论证明了本文模型具有很好的适用性.     

高导热膨胀石墨/硬脂酸定形相变储能复合材料的制备及储/放热特性

采用"熔融吸附-模压成型"的方法制备了膨胀石墨(EG)为多孔基体、硬脂酸(SA)为相变材料的EG/SA定形相变储能复合材料,通过微观形貌、热物性和热稳定性测试,分析了膨胀石墨的膨胀度对EG/SA定形相变储能复合材料的热性能影响规律,并通过加热/冷却实验对不同参数的定形相变储能复合材料的储/放热性能进行了分析比较.研究表明采用高膨胀度EG更有利于提高SA在EG多孔基体中的分布均匀性和储能复合材料的热导率,当EG质量分数为20%时其径向导热系数最高达19.6 W m~(-1)K~(-1),相比纯SA提高了110倍;EG的高膨胀度对SA相变过程中的液相封装具有明显的改善作用,高膨胀度EG为基体的定形相变储能复合材料具有很好的热稳定性;EG/SA定形相变储能复合材料的储/放热时间约为纯相变材料的1/8~1/4,具有高导热、无泄漏等优点.     

Q235A steel plate punching belt machine boring cover with the light design of the tensile modulus

矿用皮带机制造中经常遇到薄壁闷盖类零件,材料为Q235A钢板,这类零件因品种多,批量较小,深度与直径比较小,引伸系数大,运用可组合的浅拉伸模,故不需使用常用的08F类优质碳素钢板,就能实现此类零件的加工.     

掺杂铌酸锂晶体高增益角度范围的加宽

近年来,光折变效应的研究正在向深度及广度方向发展.其中光学信号放大作为一项专门的应用受到了普遍关注.人们利用调节样品最佳掺杂种类及浓度或采用一些特殊技术来提高光折变晶体的增益.但是,迄今为止,高增益的角度响应范围一般是较窄的,即指数增益系数Γ随光束夹角2θ的依赖关系曲线有明显峰值.本文首次报道了有效拓宽掺杂铌酸锂(LINbO_3,简写作LN)晶体高增益角度响应范围的实验结果.给出了大角光致散射效应加强能量耦合的机理分析.文中还首次报道了透射信号的放大倍数γ超过入射光束光强比β的结果,以及较高起始衍射效率较大增量的自增强的结果,且比较了不同泵浦光光束尺度对放大倍数的影响,从而进一步支持了我们的机理分析.     

超材料异质结构楔形光波导引起的光谱空间分离现象

采用化学电沉积方法制备了银树枝状结构光波段超材料,测试了其光学性能.结果表明,超材料在光波段出现了明显的多通带透射峰,在透射峰值波长位置测试出明显的平板聚焦效应.采用银树枝结构光波段超材料制作了一种异质结构透明楔形光波导,通过光纤探头在光波导外表面的移动,研究了光波导对光波谱的响应.实验结果表明,不同频率的光波包被停留在楔形波导不同厚度处,从而形成了光谱的空间分离现象.这种超材料楔形光波导可以通过改变楔角大小来实现对光谱空间分离的有效调节,在慢光研究和光存储等领域有广阔应用前景.     

物种间不确定性相互关系分析: 一种基于非参数估计的变系数模型

物种间相互作用的研究通常假定物种间相互作用具有某种固定的模式, 因此线性或者非线性参数回归模型(如指数分布或者logistic 模型)被广泛用来描述物种间的相互作用.然而, 这些模型假定了相互作用关系物种之间具有特定响应函数, 而这个假设可能并不适用于真正的生物群落, 如物种间相互作用关系随不同环境变化的混沌系统. 为了用一个更精确的方法来描述这种关系, 我们以榕树-榕小蜂为模式系统, 建立了一个变系数分析模型进行物种间相互关系的分析. 在这个模型中, 用非参数估计方法分析物种间相关系数如何随其他变量(函数)的变化而变化. 当其他因素对相关系数的影响效应可以用一个指定的参数模型来描述时, 新方法就会转化为传统的参数相关分析. 对于经验数据的分析, 新方法更具有普遍性和灵活性, 其与传统方法不同之处在于我们可以研究物种间的相互作用是否会随着某些因素变化而变化, 或者找出维持或改变物种间的相互作用其他关联因素. 这种方法在理论研究和应用研究(如流行病学和群落管理)领域都有着重要的应用价值.     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

超临界流体密度波动机理的分子动力学模拟

超临界流体在工业技术领域得到越来越广泛的应用,从本质上研究超临界流体的结构特性具有重要意义.本文采用分子动力学方法模拟得到不同温度和压力下超临界流体局部密度波动的时序曲线变化规律,并进行非线性特性分析.结果表明,在近临界温度时,密度波动幅度在拟临界点处达到最大值,随着温度升高和偏离拟临界点程度的增大,波动幅度逐渐减小.超临界流体是具有显著密度波动的非均匀介质,可以看作是高密度(类液区)和低密度(类气区)流体的混合物,非均匀性随偏离拟临界点程度的增加而逐渐减弱.采用自相关函数法得到各工况延迟时间,结合时序曲线的吸引子相图和递归图定性分析发现,不同系统温度下,时序曲线的波动规律主要满足混沌和类随机两种特性.在近临界等温线上,较大密度范围内具有混沌特征;随着系统温度的升高,范围逐渐缩小,当T=1.075T_c时,混沌特征消失,各工况均符合类随机规律.混沌系统表现为较类随机系统更小的样本熵,在不同系统温度下,均在偏离拟临界点较远处得到较大值,并在一个小区域内收敛,此时样本熵的变化受系统温度的影响逐渐减小,密度起主导作用.     

生物磁流体传热的耗散粒子动力学模拟

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)是一种基于粒子的拉格朗日型介观方法,对生物磁流体等复杂流体流动与传热问题具有较大优势.如果考虑铁磁流体动力学(ferrohydrodynamic,FHD)效应和磁流体动力学(magnetohydrodynamic,MHD)效应,生物磁流体的流动传热问题非常复杂,因而引起了众多学者的关注.本文提出了一种简单可行的方案建立了DPD流体介观参数与真实流体宏观输运系数之间的联系.在此基础上,采用DPD方法模拟了半环形区域内生物磁流体的流动与传热问题并且考虑了磁数和哈特曼数对区域内温度场和流场的影响.结果表明,随着磁数的增加,热磁对流会产生3个热羽流和4个漩涡.此外,哈特曼数的增加会引起热源表面大部分区域的局部怒塞尔数的显著下降.