冷冻靶屏蔽罩开启过程瞬态特性分析

针对冷冻靶屏蔽罩开启过程温度场发生突变导致冰层质量恶化的问题,数值研究了屏蔽罩开启过程中冷冻靶温度场的瞬态特性,并提出了温度控制优化方案。数值模拟基于Boussinesq假设和离散坐标辐射模型,借助考虑辐射环境变化的冷冻靶多重屏蔽罩非稳态模型,得到了黑腔气体压力、封口膜透射率等参数的影响规律,并分析比较了在不同冷环控制方案下开罩的数值结果。研究结果表明:屏蔽罩开启后,靶丸表面绝对温度急剧升高,均匀性迅速恶化;氦气压力增大时,开罩过程的靶丸表面绝对温度无明显变化,但最大温差显著增大;减小封口膜透射率,可有效减小靶丸表面温升和最大温差;存在一个最优冷流量,使屏蔽罩开启过程中温升和最大温差在较宽的透射率范围内满足打靶要求,所满足的透射率范围相对于定壁温开罩增加了19倍。所提优化方案对冷冻靶温度控制方面具有指导意义,可为顺利打靶提供一定的先决条件。     

氘氚冰层对惯性约束聚变冷冻靶温度场分布的理论模拟

惯性约束聚变冷冻靶制备过程中,要求在靶丸内形成均匀光滑的氘氚冰层,需要靶丸周围存在均匀的热环境条件。对均匀冰层和非均匀冰层展开了数值模拟分析,讨论了冰层偏移对温度场的影响情况,通过对模拟结果的温度分布和流体力学分析,得到了冰层对冷冻靶温度场的影响规律。结果显示,氘氚冰层厚度的增加、体积热的增加都会造成靶丸温度不均匀性增大,冰层的偏移可以通过辅助加热的方式来改善,但是径向偏移对靶丸温度均匀性影响更大。     

微充气管残留燃料冰对冷冻靶控温过程的影响分析

针对微充气管内残留燃料冰影响冷冻靶控温过程这一问题,建立了基于Boussinesq假设和离散坐标辐射模型的三维数学模型,分析了管内残留燃料冰长度对基准、辅助加热以及快速降温3种工况下靶丸表面温度均匀性以及稳定性的影响。结果表明：基准稳态工况下,靶丸表面最大温差随管内燃料冰长度增长先降低后升高,燃料冰末端与靶丸外表面齐平（长度为0.09 mm）时,最大温差最小,相比于无燃料冰降低31.5%;施加7 500 W/m²辅助热流的瞬态工况下,管内残留燃料冰长度不同时,靶丸表面最大温差随时间变化均表现为先增大后减小直至稳定不变,燃料冰长度较短（≤0.09 mm）时,靶丸表面均匀性恶化程度较轻;以6 K/min进行线性快速降温过程中,管内燃料冰长度为0.09 mm时,降温过程中稳定性最好,降温结束时均匀性最佳;当管内燃料冰长度为0.09 mm时,3种控温工况下靶丸表面温度均匀性及稳定性均较好,可达到较好的控温效果。     

靶丸支撑结构对低温靶温度特性影响研究

针对支撑结构的引入对靶丸温度分布产生扰动这一问题，建立带不同靶丸支撑结构的三维低温靶模型，基于离散坐标辐射模型和Boussinesq假设，研究了支撑结构对靶丸温度特性的影响，并对比了不同支撑结构靶丸温差对黑腔内氦气压力变化的敏感程度，最后针对泡沫垫衬薄膜支撑研究了泡沫材料参数的影响规律。结果表明：支撑膜能显著降低黑腔内自然对流强度，薄膜支撑与两极支撑靶丸温度均匀性优于无支撑膜的充气管支撑和支撑杆支撑，薄膜支撑相比两极支撑靶丸温度均匀性略高；充气管直径越大，靶丸温度均匀性越差。基准工况下，薄膜支撑靶丸外表面最大温差最小，温度均匀性最好，两极支撑、充气管支撑及支撑杆支撑最大温差较薄膜支撑分别增大了5.92%、32.71%及17.99%;氦气压力升高，靶丸外表面温度均匀性逐渐恶化，薄膜支撑和两极支撑靶丸温差对氦气压力变化的敏感度更低；对于泡沫垫衬薄膜支撑，通过选用导热系数较大的泡沫材料并减小其厚度可获得较好的靶丸温度均匀性。该计算结果可为靶丸支撑结构的工程设计提供一定的理论支撑。     

靶丸位置对冷冻靶物理场的影响规律研究

针对冷冻靶丸装配工艺误差导致靶丸表面温度特性变化的问题,建立带充气管的三维模型,基于Boussinesq假设和离散坐标辐射模型,采用数值模拟方法,研究了靶丸及充气管在竖直和水平方向进行偏移时靶丸表面温度分布的变化,并分析比较了充气管、辅助加热及辐射对靶丸偏移敏感性的影响。结果表明:充气管对靶丸表面温度均匀性影响显著,相较于无充气管结构,具有单充气管和对侧双充气管的靶丸其外表面最大温差分别增大78.9%、76.7%;对于具有充气管结构的靶丸,存在使均匀性改善的最佳偏移工况;单充气管结构靶丸竖直向上适当偏移时,靶丸表面温度均匀性更好,最佳偏移距离为5μm,且单充气管结构在水平方向容许向左112μm的偏移;随着加热功率增大,竖直方向最佳偏移距离基本不变,但靶丸对水平方向装配工艺误差的容忍度增大;封口膜透射率越大,靶丸位置偏移越敏感,相同偏移距离下靶丸表面最大温差越大。     

铝薄带超常铸轧辊套温度场研究

在分析铸轧辊套传热特征的基础上，对铸轧辊套温度场进行了数学描述．根据铸轧辊套温度场的特点，运用Galerkin方法，实现了铸轧辊套温度场的近似解析求解．实例计算表明，所得结果与实测结果相吻合．对铝合金超常铸轧工况下的辊套温度场进行了仿真分析，结果表明：与常规铸轧相比，超常铸轧工况下的辊套内、外表面最大温差及外表面最大温差显著降低，且辊套温度分布趋向均匀化．     

定容燃烧弹内流体介质的初始温度场分布

基于Fluent软件对加热状态下圆柱形定容燃烧弹内的初始温度场进行模拟,并与实验值进行对比,结果验证了模拟结果的准确性.模拟结果表明,在加热状态下,弹内流体介质温度呈现沿重力方向先下降后上升的变化趋势,且随着弹内温度升高,弹内流体介质温度场不均匀性增大.加热带电压分别为90 V、120 V和150 V时,该定容燃烧弹初始温度认定的误差最大可达25 K、40 K和60 K,流体介质在沿重力方向上的最大温差分别达14 K、23 K和35 K,弹内流体呈现沿两侧玻璃内表面向下流动至容弹底部中间区域交汇的趋势.同时,模拟结果也表明,在定容弹外壁均布热源以及对玻璃视窗进行加热有利于改善定容弹内流体介质温度场的不均匀性.     

基于Nelder-Mead算法的PVD加热器结构优化

为提高蒸发镀膜机内基板温度均匀性,以蒸发镀膜机为研究对象进行建模,采用COMSOL有限元软件对真空环境下的基板加热器温度场进行有限元仿真,并耦合PID算法用于温度控制,揭示了基板温度分布规律。在此基础上对基板温度均匀性的影响因素进行研究,并借助Nelder-Mead单纯形法对加热系统进行优化。结果表明,当顶加热丝间距与侧加热丝间距为1:1.23、加热距离为440 mm、反射距离为3.56 mm时,基板表面最大温差由优化前的16.5℃降低至9.9℃,温度均匀性得到改善。最后,结合实测数据分析显示,仿真结果与实测数据误差为6%,验证了优化的有效性。     

采用热固双向耦合模型的转子热应力计算方法研究

为准确计算汽轮机转子在启、停机过程中的热应力,建立了转子瞬态温度场、应力场分析的热固双向耦合轴对称计算模型。该模型在考虑转子温度场对应力场影响的同时,也考虑了应力场对温度场的影响。采用热固双向耦合有限元模型计算了某超超临界660MW超高压转子的瞬态温度场和热应力场,并研究了热固双向耦合和单向模型计算结果的差异。计算结果表明:在转子启动过程中,温度与变形之间的耦合作用会随主蒸汽和转子表面温差增大而增强,当转子表面初温与主蒸汽温差为280℃时,两种模型计算出的转子最大热应力相差6.6%。因此,在转子表面热冲击较大的情况下,应选择热固双向耦合模型进行转子热应力计算。     

地板送风室内温度不均匀分布特性的实验研究

通过变化送风参数和室内热源，对6种典型工况的实验结果进行了分析，得到了地板送风室内温度分布的一些特性．针对地板送风室内温度分布的不均匀性，采用工作区垂直温差和0．1m高度处的空气温度与送风温度之差来表征工作区温度分布．实验结果表明：单位送风量的室内热源散热越大，不仅室内垂直温度梯度较大，而且工作区垂直温差增加的幅度比送回风温差增加的幅度更大，当室内冷负荷从324W逐渐增大到468W时，工作区垂直温差与其送回风温差之比从0．468增大到0．573；室内工作区垂直温度分布的形状与室内热源分布情况有关，当热源位于吊顶上时，工作区上下垂直温度梯度较大，中间垂直温度梯度较小；当送风温度提高5．7℃时；工作区垂直温差减小70％；工作区0．1m高度处的空气温度与送风温度之差约占送回风温差的50％．     

超低温作用下LNG储罐外壁变形分析

当LNG储罐内罐泄漏时低温液体直接与外罐混凝土接触,使外罐内壁与外壁之间形成明显的温差。分析了超低温作用引起的内外温差对整个结构内力的影响,得到了储罐外壁在超低温作用下温度分布规律及其变形规律。结果表明:超低温作用下LNG储罐外壁温度分布由内而外呈线性分布,罐壁的温度分布比较均匀;低温作用罐壁的变形比理想状态增大很多,且随内外温差的增大变形有所增长。     

玻璃窗位置对高大空间供暖效果的影响

在实验验证数值计算方法的基础上,通过数值模拟探讨了玻璃窗位置不同时对供暖房间热环境的影响.研究结果表明:无论玻璃窗设在屋顶还是侧墙上,其附近气流速度值都明显大于无玻璃窗区域.当玻璃窗设在屋顶时,送风气流在整个房间混合流动,房间温度分布均匀,降低送风口高度对室内温度分布和能量利用系数无影响.玻璃窗在侧墙时,沿玻璃冷表面下沉的冷空气使室内温度分布出现明显的热力分层现象,送风口高度越高,上下部区域温差越大,适当降低送风口高度可以有效改善室内热环境,且热风供暖的能量在房间下部区域的利用率也增大.     

7050合金电流均匀化过程中的温度分布

研究了电流、风机频率、冷却水和辅助加热对7050合金均匀化过程中温度场分布的影响.结果表明:单纯施加电流时,试样心部及表面温度分布十分不均匀.电流为1500A时,试样中心点处温度只能达到402℃.在电流加热过程中采用吹风方式,心部与表面温差为79℃.采用辅助加热后,心部与表面温差小于±5℃.利用ANSYS建立的温度场数学模型,预测电流为16000A、尺寸为100mm×200mm×2000mm试样的中心点心部温度为324℃,心部与表面温差为1℃.在铝合金均匀化过程中,施加1000A电流,可有效促进晶界残余相的溶解.     

基于液冷的锂离子电池组热均衡性研究

为了改善车用锂电池模组在高温高倍率工况下的热均衡性,根据圆柱形锂电池的传热特性,建立了18650锂电池单体的三维热模型,并完成40 °C环境自然对流下的热特性仿真,并通过温升试验验证了生热模型的可靠性. 在此基础之上,针对某型纯电动汽车的动力电池组,提出了一种夹套式电池模组冷却系统,利用Fluent研究了40 °C环境下冷却液流量、冷却液温度和放电倍率对电池组散热均衡性的影响. 结果表明:增加冷却液流量可以有效降低电池组最高温度、最大温差及电池自身温差,改善电池间的温度均匀性;但当入口流量增至0.03 kg/s后,对电池组散热性能的改善效果十分有限;降低冷却液温度后,电池组最高温度下降,但电池组最大温差与单体电池间温差不断上升,单体电池自身最大温差略有降低;当放电倍率增大时,电池组最高温度与最大温差均不断上升,单体电池间温差以及电池自身温差显著增大,电池组热均衡性变差.      

PCR芯片中微腔室高度及加热器结构优化设计

对PCR扩增芯片中微加热器的传热及微腔(DNA反应液腔)室的高度优化问题进行了有限元分析,通过ANSYS软件模拟分析了单蛇形、双蛇形以及双螺旋形等典型结构微加热器的温度场分布,分析了不同腔室高度PCR芯片的温度场分布,重点探讨了不同微加热器结构、不同布线规律对PCR芯片微腔室温度分布均匀性的影响,PCR芯片中DNA反应液厚度与芯片上下表面温差的关系.仿真结果表明:均匀加热器比非均匀加热器温度分布均匀性更好;双螺旋形加热器较单蛇形与双蛇形加热器更能满足实际需要;DNA反应液厚度与芯片上下表面温度差之间具有良好的线性关系.同时根据分析结果得到了所设计的具有电极均匀分布双螺旋微加热器的PCR芯片微腔室最佳高度为340μm,能很好满足片上PCR芯片扩增所需的温度环境条件.     

机翼表面结冰数值模拟

分别采用欧拉-拉格朗日模型和多孔介质模型建立了空气绕流机翼流动、空气夹带过冷水滴运动和机翼表面冰层增长的数理模型,并进行了数值求解.获得空气绕流机翼流场、空气夹带的过冷水滴运动轨迹、机翼表面过冷水滴的收集系数分布、冰层厚度分布和冰层质量增长情况,并分析了攻角和过冷水滴直径等因素的影响.结果表明:水滴收集系数随着攻角和水滴平均直径的增大而增大;冰层覆盖整个机翼的前半部上下表面,以驻点附近最为集中,随时间增长而愈严重;随着功角增大,下表面积冰加重;但当攻角为15°时,总体结冰量却较之低攻角时减小.     

石油套管淬火过程中残余应力场的数值模拟

为降低P110级石油套管淬火冷却过程中的内应力,提出"水淬-空冷-水淬"的优化冷却方式,并利用有限元方法对冷却过程中温度、应力场的变化规律和分布状态进行了模拟.模拟结果表明:冷却至7.5s出水时,横截面上最大温差为104℃,空冷结束时断面温度均匀;再次水冷的最大温差为80℃,与7.5s时相比,温差降低了24℃.对于应力,在最初的水冷阶段,从开始到2.5s,切向应力增大,2.5～5.5s,切向应力降低,冷却至5.5s时发生组织转变,此后热应力和组织应力共存,切向应力随冷却进行迅速升高,并在7.5s时达到最大,为563MPa;出水空冷阶段,热应力减小,组织应力消失,13s空冷结束时切向应力分布较均匀,为-11～27MPa;再次入水冷却至13.6s,切向应力再次达到最大,为451MPa,比7.5s时的563MPa降低了112MPa,达到了优化冷却工艺的目的.     

相场法模拟中取向与热扩散参数对Ni-Sn合金枝晶形貌的影响

利用相场模型与温度场进行耦合的控制方程来模拟Ni-Sn二元合金凝固过程中的枝晶生长情况。依据热力学定律、自由能泛函与熵泛函原理,建立Ni-Sn合金相场和温度场耦合的模型。用相场法模拟合金在非均匀温度下枝晶生长过程和枝晶生长形貌的情况。对形成的图像进行对比,研究各向异性强度参数与热扩散参数对枝晶生长形貌和生长速度的影响。模拟研究表明：在非均匀温度场下,当各向异性强度参数增大时,枝晶的生长速度会随之增大,并且二次支臂的生长数量也会增加。此外,当热扩散参数增大时,枝晶的生长速度会随之减小,枝晶主干变细,并且二次支臂的生长数量会有明显减少。     

低温可视化力学装置传热分析与计算研究

为优化干冷式宽温域低温可视化力学测量装置的内部传热特性，降低装置传导和辐射漏热，提高样品的温度均匀性，基于Sage、COMSOL研究了不同尺寸试样的温度场分布，对比了两种计算方法的一致性。研究了试样表面发射率、窗口表面发射率以及窗口尺寸对试样温度的影响。结果表明：Sage、COMSOL两种方法计算的试样最低温度分别为4.211 5、4.219 4 K,温度基本一致，且Sage一维计算方法可以更直观地分析低温装置内各个传热节点的参数；当试样尺寸为3 mm×30 mm×2.5 mm的小规格尺寸，试样表面发射率低至0.01时，试样自身温度最为均匀，两端温差仅为0.005 K;降低窗口的表面发射率、减小窗口的辐射面积均有利于试样温度的均匀分布；小尺寸试样的温度分布几乎不受材料表面发射率和窗口参数的影响，自身温差始终保持最小。     

洛阳龙门高铁站大体积筏形基础混凝土温控措施分析与评价

为研究大体积筏板基础混凝土水化热过程,防止因温差过大而产生温度裂缝,以洛阳龙门综合交通枢纽大体积筏板基础混凝土结构工程为背景,运用有限元软件Midas FEA建立模型分析了筏板基础内部温度沿基础厚度方向和水平方向的变化规律,对比了有无管冷系统作用下筏板基础水化热温度场分布情况。研究结果表明：筏板基础外表面产生裂缝可能性较大,应采取相应保护措施;管冷系统降温效果明显,对比有无管冷系统作用两种情况,发现在管冷系统作用下,基础内外温差为22.8℃,最大温差降低6.3℃,现场实测最大内外温差为24.1℃,单日最大降温速率为1.3℃,两者全部达到规范要求,养护完成后筏板基础外部未存在明显裂缝,证明通过布设管冷系统,能够有效降低水化热作用的影响,缩小内外温差防止产生温度裂缝,保证了筏板基础的整体性和稳定性。