闭式离心压缩机几何建模对数值预测结果的影响

实验测试了一台闭式离心压缩机的整体性能,采用部件叠加的方法构造了不同的压缩机数值模型,研究了闭式离心压缩机堵塞流量及数值预测准确性的影响因素,提出并验证了采用等效叶片厚度替代叶片端壁圆角的压缩机结构修正方法.本研究的主要目的在于评估各种细微几何结构和简化处理对具有闭式叶轮的离心压缩机总体性能的影响,以此归纳出针对闭式离心压缩机合理的数值模拟策略.实验测得压缩机峰值等熵效率为80.28%,经等效叶片厚度修正后压缩机数值模拟所得等熵效率峰值为82.02%.研究结果表明轮盖间隙及其密封、叶片端壁圆角以及叶片加工误差是影响闭式离心压缩机性能的3个主要几何结构因素.闭式叶轮轮盖间隙泄漏流减小了叶轮的有效喉部面积,使堵塞流量减小,流道中部流体加速,叶轮扩压能力下降;一定的背压下,闭式叶轮的堵塞流量随叶片相对厚度的增加呈线性关系减小.在数值模拟时,采用等效叶片厚度修正闭式压缩机端壁圆角,可以使压缩机在保持小流量工况性能基本不变的同时,提高大流量工况的数值模拟准确性.     

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.     

电子封装热应力数值分析

针对目前电子封装的封装密度越来越高、封装厚度越来越薄、封装体在基板上所占面积越来越大,发热引起的失效越来越严重等问题,以晶体管瞬态热应力分析为例,建立热力耦合力学模型.利用ansys研究电子封装热失效问题,得到温度场、应力场和变彤场的分布规律.温度和应力的主要规律包括两点,一是温度和应力都在角点处变化明显,应力比较集中.温度从上到下逐层变化,逐渐减小,并且层与层之间温度变化不大,模型中间部分温度层厚度几乎相同,下半部分同一温度层有规律的变化.二是当温度较高时,在受约束面上和角点处应力值较大,并且在模型的角点和中部出现应力集中现象.     

倾斜圆管内超临界压力CO_2流动换热数值分析

对超临界压力CO_2在内径为10 mm、加热长度为2000 mm、倾斜角度α=45°的倾斜光管内向上和向下两个方向的流动与传热行为进行数值计算.采用SST k-ω低雷诺数湍流模型,通过超临界压力CO_2在垂直光管内向上流动传热的实验数据验证了计算模型的可靠性和准确性,分析了倾斜圆管内壁温度T_(w,i)和对流换热系数h沿圆管轴向和周向的变化规律.基于超临界压力CO_2在类临界温度T_(pc)处发生类气-类液"相变"的"类沸腾"假设,研究了超临界CO_2在倾斜圆管内不同方向流动时顶母线壁温分布产生差异的原因,通过获取圆管横截面内速度分布、物性分布和湍流分布等详细信息,重点分析了产生这一差异的传热机理.计算结果确定了类气膜厚度、轴向速度u、湍动能k和黏性底层厚度δ_(y+=5)是影响不同流动方向时顶母线壁温分布差异的主要因素.     

基于PIV技术的温度敏感型磁流体无泵流回路的实验研究

建立了温度敏感型磁流体无泵流冷却回路实验系统，采用粒子示踪测速技术（PIV）对整个回路中的流场进行了测量，实验研究了不同加热、冷却功率下回路的流动传热性能，分析了磁场及温度场的协同作用对回路性能的影响．结果显示：温度敏感型磁流体在外加适当磁场及温差时可以持续流动，将热量从热端传递到冷端并循环工作；系统冷却性能受到磁场及温度场的协同作用影响．     

浮升力因子和流动加速因子改进及其在超临界流体混合对流传热中的应用

重点对浮升力效应和流动加速效应引起的超临界二氧化碳强迫对流传热强化、传热恶化现象进行了综合研究.理论分析了浮升力效应和流动加速效应影响超临界二氧化碳强迫对流传热的机理,并对已有表征浮升力效应和流动加速效应强度的无量纲因子Bu和Ac进行了改进.与已有研究不同,本文在改进Bu过程中使用了更合理的运动边界层和热边界层厚度之间的关系式,在改进Ac过程中使用了与二氧化碳物性变化规律符合更好的van der Waals方程.理论估计了Bu和Ac的临界值分别为1.3×10~(-5)和3.3×10~(-6),并得到了实验数据验证.与已有浮升力因子和流动加速因子相比,经改进后的浮升力因子和流动加速因子及临界值可以更好地解释超临界二氧化碳拟临界区复杂的强迫对流传热现象.基于改进后的浮升力因子Bu和流动加速因子Ac建立的传热关联式有90.1%的预测值与实验测量值偏差在±30%以内.     

尾迹撞击平板诱发旁路转捩前期拟序结构的实验研究

通过水槽氢气泡流动显示和PIV实验研究了圆柱尾迹与平板前缘发生直接撞击后平板边界层旁路转捩特性,包括边界层旁路转捩前期拟序结构演化及其对流场统计特性影响.结果表明,尾迹撞击平板后能在平板上表面近壁区生成尺度较小展向涡;这些展向涡或者是尾迹涡被平板前缘切割后在近壁区残留部分,或者是由过前缘尾迹涡所诱生成.近壁区展向涡生成使边界层内流向速度脉动最大值在早期即出现快速增长.另一方面,尾迹对平板撞击作用主要体现在圆柱尾迹中发辫涡结构在流经平板前缘时被撕裂,受RDT机制作用在流向上被迅速拉伸形成近壁区流向涡.其后取代展向涡与条带一起成为近壁区主要流动结构,使流向速度脉动最大值出现二次增长.实验中转捩前期近壁区流体同时感受二维动和三维动,使转捩进程相比于尾迹与边界层不发生直接撞击时更加快速.     

基于[火积]耗散极值原理的蒸汽发生器构形优化

应用[火积]耗散极值原理和构形理论，采用解析方法对蒸汽发生器进行构形优化设计．结果表明：最优管道间距、烟气质量流率和最大[火积]耗散率都取决于无量纲管径、烟气的无量纲压降数和烟气流道的无量纲长度，而最优管道数量以及上升管和下降管的数量除了取决于这3个无量纲数，还取决于无量纲管道高度．当驱使烟气流动的压差增大且管径和烟气流道长度都减小时，最大[火积]耗散率增大，高温烟气的热量传递过程的平均热流变大，系统性能得到了提高．相比基于传热率最大的最优构形，基于[火积]耗散率最大的最优构形更能提高蒸汽发生器的整体传热性能．     

旋涡泵高扬程工况结构变化数值模拟研究

为深入了解高扬程工况旋涡泵内部流体的流动机理,获得进出口结构参数变化对旋涡泵性能的影响规律,建立了固定流道的旋涡泵三维流动模型,借助ANSYS FLUENT研究了旋涡泵进出口几何参数变化的基本特征,对比分析旋涡泵内部流场、场程等随几何参数的变化规律.选取典型的闭式双支撑结构旋涡泵的流动区域建立模型,研究不同进出口结构的旋涡泵内部压力场和速度场的分布情况,提出了在固定流道结构下进出口参数对旋涡泵效率提高的设计思路,对优化旋涡泵接口设计有一定的参考价值.     

光子增强热离子发射太阳能电池混合功率系统参数的优化设计

考虑实际系统中存在的多种传热损失,本文建立一类不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型.基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程,导出该混合系统输出功率和效率的表达式.通过数值计算,详细分析了光增热离子太阳能电池的面积、阴极半导体材料的禁带宽度、电子亲和势以及温差热电发电器的无量纲电流对混合系统优化性能的影响,确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度,电子亲和势,电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值.结果表明,采用混合发电系统,太阳能转换效率与工作于相同条件下的单一光增热离子太阳能电池的效率相比可提高约10%,而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小.本文所得结果可为实际光子增强热离子太阳能电池混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.     

超声测量结构内部瞬态温度场的重建方法研究

固体结构内部瞬态温度场的无损测量在航空航天、机械制造与材料加工等领域都具有十分重要的作用.本文基于超声波传播速度与温度的相关性,建立了超声测量各向同性材料内部瞬态温度分布的模型,从反演角度入手,将瞬态非均匀温度场的重建问题转化为热边界的反演和热传导正问题计算的问题,应用参数辨识中的共轭梯度法,发展了一种高分辨率的温度场重建方法,并通过数值仿真系统分析算法的精度、抗噪性和稳定性等特性,最后,进行了实验验证与分析.研究表明:基于超声渡越时间反演得到的热边界条件,符合物理实际,重建得到的结构内部瞬态温度分布精度较高、实时性好、适用性强,有利于促进超声无损测温技术的发展,具有重要的工程应用价值.     

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．     

在线焊接管道设计压力的影响因素

提出了预测在线焊接管道设计压力及烧穿的方法. 运用有限元法对不同参数下在线焊接时的温度场进行了数值模拟, 内部介质流动对焊接温度场的影响通过确定介质与管壁间的换热系数来考虑, 并根据温度计算结果, 获得了管道的剩余强度因子和设计压力, 进而判定管壁是否烧穿. 研究表明: 在线焊接管道的设计压力随着焊接热输入的增大而降低, 当热输入增大到一定程度时, 曲线趋于平缓; 随着流速的增大, 在线焊接管道的剩余强度因子及所能承受的设计压力呈上升趋势, 且在一定范围内增大明显, 故应充分利用该流速变化范围的特点以确定最佳施工条件; 剩余强度因子随着壁厚的增加而升高, 当壁厚增大到一定程度时, 在线焊接管道的剩余强度因子增大速度减缓, 此后继续增加壁厚, 则对材料的利用率有所下降. 根据设计压力与各参数的关系曲线可以获得安全操作条件.     

线性唯象传热条件下甲烷蒸汽重整反应器熵产生最小化

针对一类传热、流动与化学反应相耦合的管式活塞流甲烷蒸汽重整反应器,考虑转化管外热源与管内反应物间传热服从线性唯象传热定律[q∝Δ(T~(1))],在氢气产率、进口压力、进口总摩尔流率、惰性气体(N_2)摩尔流率均给定及外界热源温度完全可控的条件下,以传热、流动、化学反应过程的总熵产生率最小为目标,应用有限时间热力学理论和方法,借助非线性规划数值方法求解了过程最小熵产生率及相应外界热源温度沿程最优分布规律,并与热源温度恒定、热源温度线性变化两种传热策略下的参考反应器以及牛顿传热定律[q∝Δ(T)]下熵产生最小最优反应器进行了比较.结果表明,与两类参考反应器相比,优化热源温度分布规律后可使反应器总熵产生率降低58%以上,主要是通过降低传热过程熵产生率实现的;采用较短的反应器可较好地实现预定生产目标;对于熵产生最小时的过程最优路径,存在恒定的热驱动力或恒定的化学驱动力中间段区域;传热规律对过程熵产生最小时热源与反应混合物温度最优构型有显著影响.     

能够实现芯区均匀场的几种三层平板波导结构

通过对非线性包层三层平板波导典型实例的理论研究和数值计算，发现存在5种波导结构，当光功率合适时，芯区场能够实现均匀分布，此时包层场分布呈指数衰减. 分别给出5种结构的场分布曲线. 波导芯区中存在均匀场分布，对于波导、光电子及光子器件具有潜在的应用前景.     

基于多物理场耦合计算的正六边形微通道热沉构形研究

提出了新的微通道正六边形热沉分别在无回流、边缘回流和中心回流3种回流方式下4种通道结构的设计原型,基于热-流-力-应变的多物理场耦合计算,研究了回流方式、微通道分支数和微通道分布演化对正六边形热沉的最大热阻和基于耗散的当量热阻的影响,并进行了热应力和形变分析.数值计算结果表明:以最大热阻最小化和当量热阻最小化为目标, 3种回流方式中的中心回流式为最佳回流方式,中心回流式六分支微通道正六边形热沉按上层微通道沿六边形内切圆半径分布、下层微通道沿六边形外接圆半径分布为最优构形,可使传热性能最优,且最大热应力为0.28 GPa,比硅的屈服强度小1个数量级以上,最大形变为1.4μm.所得结果可为实际微通道热沉提供多学科设计的理论支撑.     

肝癌恒功率介入微波热凝固术的有限元模拟

介入微波热凝固疗法(invasive microwave coagulation, IMC)是一种新发展起来的治疗肝癌的方法. 具体讨论了恒功率IMC疗法. 对交替相控加热方式和一种大血管传热模型进行了三维的有限元模拟. 目的在于研究: 1) 介入微波交替相控加热的降低凝固区峰值温度和减小“过热区”大小的效能(有时峰值温度可高达140℃); 2) 模拟了大血管的生物传热模型, 以研究在IMC治疗中大血管对周围组织传热和热凝固区形态的影响. 并且将模拟结果和相应的活体猪实验结果进行对比. 研究的结果包括: (ⅰ) 交替相控加热方式能有效地降低凝固区的峰值温度, 并能缩小“过热区”的大小, 提高治疗的安全性; (ⅱ) 由于大血管冷却而造成的“过冷区”热量损失很大, 解释了为什么临床中在对靠近大血管的肿瘤进行IMC治疗前实施肝大血管阻断术是一种实用的方法; (ⅲ) 提出了大血管影响半径(Rev)参数, 为临床上进行大血管阻断术提供了理论依据.     

微型旋转摆式发动机性能影响因素分析

针对一种新型差速式、无停顿旋转摆式发动机开展研究,建立MATLAB环境下较为完善的热力学仿真模型,计算结果表明:缩短燃烧持续时间有利于提升发动机性能;泄漏和传热是影响发动机性能的两个主要因素,低频运行时泄漏影响较大,高频运行时传热因素更敏感;发动机效率及功率随间隙尺寸增大而降低,当泄漏间隙一定、频率增大时,效率及功率随之会先增加后减小.考虑泄漏、传热影响后,若泄漏间隙控制在20μm,工作频率50 Hz时发动机达到最大热效率为17.36%,工作频率100 Hz时发动机达到最大功率为2121.2 W.较之微小尺寸级的百瓦级微型热机,微型旋转摆式发动机性能优势明显.     

晶粒尺寸对氧化锌非线性电阻片中温度和热应力的影响

微观温度分布不均匀将降低氧化锌(ZnO)非线性电阻片的冲击能量吸收能力. 采用二维Voronoi网络(Voronoi diagram)模型, 从微观角度分析了氧化锌非线性电阻片中的电流、温度和热应力的分布. 结果表明: 在击穿区(中电场区), 流经电阻片的电流集中于少数晶粒连结而成的通道, 导致电阻片吸收冲击能量时内部能量吸收不均匀, 引起局部高温和很大的热应力, 造成电阻片发生穿孔或破裂损坏. 另外讨论了晶粒尺寸对氧化锌非线性电阻片内部温度和热应力的影响.     

基于预测-矫正技术的超临界流体强迫对流传热能力预测方法

拟临界区剧烈变物性导致超临界流体强迫对流传热特性规律复杂.已有超临界流体传热关联式的预测能力和应用范围难以同时改善.借鉴亚临界两(多)相流分流型预测传热能力的思路,本文尝试提出了基于预测-矫正技术的超临界流体传热能力预测方法.该方法的基础包括可合理表征浮升力效应和流动加速效应强度的无量纲数Bu和Ac,以及一套完善的超临界流体对流传热关联.通过超临界二氧化碳强迫对流传热实验研究,获得了传热数据库(3696组数据),建立了一套(10个)超临界二氧化碳强迫对流传热关联式,并对新建立的传热关联式和新提出的预测-矫正预测方法进行了评价.结果表明预测-矫正计算方法可大幅提高加热段壁面温度预测精度,并有效纠正单一传热关联式预测时出现的粗大偏差.