含内部子结构的圆柱壳振动特性研究

针对圆柱壳-内部子结构的耦合结构,采用缩聚传递函数对其解耦,再根据直接刚度法分别建立圆柱壳和内部子结构的数值模型,并结合缩聚传递函数法计算了原耦合结构的振动响应.引入坐标转换矩阵并考虑6个方向的耦合,从而保证本混合方法的计算精度.与有限元计算结果进行对比分析,验证了该混合方法的有效性.在此基础上分析了结构厚度、壳体长度...     

高超声速气动热的耦合计算方法研究

为了准确预测高超声速飞行器承受的气动热载荷,需要进行流动-传热耦合分析.采用耦合传热方法,考虑流体流动和结构传热之间的实时相互影响,对圆柱壳高超声速气动加热风洞实验进行了三维非定常数值模拟,将数值模拟结果与实验结果进行了全面对比,得到的表面压力、冷壁热流、热壁热流和温度分布与实验结果符合良好,验证了耦合计算方法的准确性,提高了气动热模拟精度,实现了气动加热的准确计算.     

物性参数对封闭腔体自然对流数值模拟的影响

采用两种不同的物性参数处理方法对不同温差下的封闭方腔内自然对流进行数值计算,研究瑞利数Ra从103～106之间时,封闭方腔内空气的流动换热规律,将所得到的数值模拟结果与研究文献做了对比分析,验证了其方法的准确性,同时对比分析了利用多项式考虑气体物性参数随温度变化情况下的数值模拟结果.计算结果表明,在所计算的问题中,小温差下把热物性参数设置为常数可以一定程度上减小计算量,加快计算收敛速度,但在大温差下,物性参数设置为常数计算将造成计算结果相对误差较大.     

基于适体坐标系的TCGMAW熔池行为数值模拟

为了解双丝共熔池气体保护焊的工艺机理,优化工艺参数,对其熔池流场数学模型进行了研究.在分析熔池表面变形的基础上,利用适体坐标变换将熔池表面变形后所形成的复杂物理边界转变为非正交适体坐标系下规则的计算边界,使坐标轴与计算区域的边界一致,从而建立适体坐标系下的离散化控制方程组,并对其能量和动量边界条件分别进行离散求解,进而建立了三维准稳态双丝气体保护焊接熔池流场的数值分析模型,最后采用SIMPLEC算法进行了数值模拟实验.结果表明,该方法较好地处理了熔池表面变形与流场和热场的耦合问题,使得模拟过程更加符合实际情况.     

悬浮生物载体空问结构的数值评价

为了评价及优化移动床生物膜反应器的重要材料--悬浮生物载体的空间结构,采用动网格模型与两相流模型耦合的动态数值模拟方法对装有悬浮生物载体的移动床反应器的内部流体力学特性进行分析.计算结果表明,动网格技术与两相流技术耦合的数值方法能够很详细地模拟悬浮生物载体在移动床生物反应器中的运动,以及其中每个瞬时的计算域内压力、速度、气含率等流体参数的定量分布.文中还讨论了采用气含率和载体表面剪切力两个流体力学参数来评价生物载体空间结构的可行性.     

水砂混相流运动的CIP-DEM耦合数值模型

为建立精确模拟水砂混合流(如:挟砂溃坝溢流)问题的数值计算方法,提出了模拟固液混相流运动的垂向二维CIPDEM法耦合数值计算模型。模型采用CIP(constrained interpolation profile scheme)法求解描述水体运动的Navier-Stokes流体运动方程,采用DEM(discrete element method)法求解描述泥沙粒子团运动的牛顿力学方程;并通过水砂间的相互作用关系将水-砂运动进行耦合。通过分别对溃坝溢流和砂体下落的单相体运动进行数值模拟并与前人的实验结果进行对比,验证了CIP法流体计算模型和DEM法砂体计算模型妥当。在此基础上,采用所建立的CIP-DEM水砂耦合数值计算模型对干床面上的挟砂溃坝溢流问题进行了数值模拟,计算得出的挟砂溃坝溢流中的水、砂运动形态和运动过程与Zhang(2009)等的实验结果吻合良好,表明提出的CIP-DEM耦合模型在对具有大自由表面变形的水砂运动问题的模拟中具有较好的适用性。     

液气射流泵内部流场的数值计算

通过闪频仪观测,泵内部流动可分为分层流、液滴流和泡状流.为了简化模拟和计算,将计算区域分为部分喉管和扩散管两块.对液气射流泵喉管内部射流流动,建立抛物型流动方程组,采用控制容积法将方程组离散,并用TDMA法求解;对扩散管内部泡状流,采用双流体模型建立液气两相流方程组,混合有限分析法离散,压力耦合半隐式方法(SIMPLE)求解.数值模拟获得液气射流泵内部流速分布.计算预测的射流碎裂位置与试验观测结果一致;壁面压力分布计算值与试验值吻合较好,趋势相近.计算结果能够较好地反映液气射流泵外部水力性能,为液气射流泵的优化设计与运行提供参考.     

悬浮生物载体空间结构的数值评价

悬浮生物载体是移动床生物膜反应器的重要材料,其空间结构对其性能有较大影响,为了评价及优化其结构,采用动网格模型与两相流模型耦合的动态数值模拟方法对装有悬浮生物载体的移动床反应器内部流体力学特性进行分析。计算结果表明,动网格技术与两相流技术耦合的数值方法能够很真实地模拟悬浮生物载体在移动床生物反应器中的运动,及其中每个瞬时的计算域内压力、速度、气相体积分数等流体参数的定量分布,并讨论了采用气含率和载体表面剪切力两个流体力学参数来评价生物载体空间结构性能的可行性。     

多孔壁入流及其对槽道内主流流动与换热的影响

对带有多孔壁入流的水平槽道内主流气体的流动与换热问题进行了数值模拟。数值计算中将主流区和多孔壁面区进行耦合求解,对多孔壁面内流动和换热、多孔区域的非均匀温度分布、注入率对表面温度的影响等进行了研究。计算结果表明:在多孔壁面内部,冷却气体与多孔壁面内固体颗粒之间存在一定温差,说明在对多孔壁面内部的流动与换热进行体积平均式的宏观数学描述时采用局部非热平衡模型的必要性;在靠近主流气体的多孔壁面孔隙内产生与主流相反方向的速度分量。此外,不同注入率下多孔壁面上表面固体温度的计算值与实验结果基本吻合。     

螺旋桨流固耦合特性的数值模拟

基于ANSYS Workbench平台,利用其多场分析功能,采用求解RANS方程的方法,利用CFX求解器对螺旋桨3维流场进行数值模拟,利用有限元求解器计算螺旋桨结构响应,并将有限元求解器的设置输出为结构求解子程序,供CFX计算时调用以实现数据的实时双向传递,从而将流体计算与结构变形计算耦合起来,给出一种求解螺旋桨流固耦合问题的3维数值模拟方法,并通过与试验数据的比较验证了方法的可靠性.设定2种材料特性,对螺旋桨的水动力性能、桨叶变形及应力应变特性等进行了数值模拟.结果表明:材料特性对变形及应变较为显著,弹性桨的变形与应变较刚性桨约高1个量级;变形后的螺旋桨又对水动力性能及周围流场产生影响,弹性桨的推力和转矩均比刚性桨小.     

The effects of interface scattering on thermoelectric properties of film thermoelectric materials

A theoretical model taking into consideration the interface effects is established to predict the Seebeck coefficient and the electrical conductivity for a polycrystalline thermoelectric （TE） thin film. The interface scattering mechanisms （including the film-surface scattering and grain-boundary scattering） of the transport electrons in the film materials are revealed. The relations between the Seebeck coefficient, the electrical conductivity and the interface parameters （the film-surface reflection coefficient and the grain-boundary transmission coefficient） are then discussed with respect to the proposed model. The differences in the TE properties between the films and bulk materials caused by size restriction are investigated. The results indicate that the higher grain number leads to stronger grain-boundary scattering and more distinct size effects of the TE properties. In contrast to the surface effect, the grain-boundary effect plays a main role in the TE properties of TE films with polycrystalline structures.     

基于半导体致冷器数学模型的TEC制冷系统的效率估算

为了对半导体制冷系统的制冷效率进行估算，通过建立半导体致冷器(TEC)的数学模型，并结合机械连接形式的TEC制冷系统，给出了半导体制冷系统制冷效率的估算公式．     

热电器件焊接层热电耦合应力分布特征

对热电器件焊料层的热电耦合应力特征进行了系统的研究,建立了热电发电器件单一材料和分段材料热电支腿结构的仿真模型.利用有限元软件ANSYS分析了焊料性能对热电转换效率的影响以及存两类结构边界条件下焊料层上的应力分布特征,得出了最可能的破坏位置,同时探讨了不同的材料分段对热电转换效率和焊料层可靠性的影响.所得结论对热电发电器件的优化设计和制造具有重要的指导意义.     

Recent progress in thermoelectric materials

Direct conversion of heat into electricity through advanced thermoelectric(TE)materials has been one of the most attractive solutions to the severe environmental and energy issues facing humanity.In recent years,great progress has been made in improving their dimensionless figure of merit(ZT),which determines the conversion efficiency of TE devices.ZT is related to three‘‘interlocked’’factors—the Seebeck coefficient,electrical conductivity,and thermal conductivity.These three factors are interdependent in bulk TE materials,and altering one changes the other two.The difficulty in simultaneously optimizing them caused TE research to stagnate,until great reductions in thermal conductivity were both theoretically and experimentally proven in nanomaterials in 1993.In this review,we first introduce some TE fundamentals and then review the most recently improvements in ZT in different kinds of inorganic and organic TE materials,which is followed by an investigation of the outlook for new directions in TE technology.     

Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials

Thermoelectric materials interconvert thermal gradients and electric fields for power generation or for refrigeration. Thermoelectrics currently find only niche applications because of their limited efficiency, which is measured by the dimensionless parameter ZT-a function of the Seebeck coefficient or thermoelectric power, and of the electrical and thermal conductivities. Maximizing ZT is challenging because optimizing one physical parameter often adversely affects another. Several groups have achieved significant improvements in ZT through multi-component nanostructured thermoelectrics, such as Bi(2)Te(3)/Sb(2)Te(3) thin-film superlattices, or embedded PbSeTe quantum dot superlattices. Here we report efficient thermoelectric performance from the single-component system of silicon nanowires for cross-sectional areas of 10 nm x 20 nm and 20 nm x 20 nm. By varying the nanowire size and impurity doping levels, ZT values representing an approximately 100-fold improvement over bulk Si are achieved over a broad temperature range, including ZT approximately 1 at 200 K. Independent measurements of the Seebeck coefficient, the electrical conductivity and the thermal conductivity, combined with theory, indicate that the improved efficiency originates from phonon effects. These results are expected to apply to other classes of semiconductor nanomaterials.     

聚苯胺热电性能研究

通过测定一系列不同质子酸掺杂的聚苯胺在不同温度下的电导率、Seebeck系数和热导率值，讨论了不同的掺杂酸和温度对电导率、Seebeck系数、热导率的影响．研究结果表明，聚苯胺有较小的热导率，且其与各种结构因素几乎无关；用有机酸进行二次掺杂的聚苯胺电导率和Seebeck系数均有所提高；温度升高电导率增加而Seebeck系数下降，但更高温度下会发生聚苯胺的脱掺杂使电导率下降而Seebeck系数增加．如能通过结构设计，改变制备条件合成出更高电导率和Seebeck系数聚苯胺，则其有可能成为性能良好的热电材料．     

Recent developments of thermoelectric power generation

One form of energy generation that is expected to be on the rise in the next several decades is thermoelectric power generation (TEPG) which converts heat directly to electricity. Compared with other methods, TEPG possesses the salient features of being compact, light-weighted,noiseless in operation, highly reliable, free of carbon dioxide emission and radioactive substances. Low current conversion efficiency and high cost, however, are some of the disadvantages. Use of TEPG is therefore justified to hightech applications associated with aerospace, military operation,tel-communication and navigation, instrumentation of unmanned vehicles monitored from remote locations. Moreover, TEPG does not contribute to the depletion of natural resource and pollution of the environment such as climate warming that has been a concern in recent times. This work is concerned with providing an overview of the state of the art of TEPG with emphases placed on assessing its current and potential application. Pointed out are the ways to fabricate high performance thermoelectric material, a hurdle to overcome for the enhancement of TEPG device efficiency.     

中子散射技术在热电材料研究中的应用

热电材料是一种可以直接将热能转换为电能的有效能源材料,具有较高稳定性及简单结构等特点,但是低的能效限制了它的应用。因此,如何有效提高热电材料的效率是当下一个研究热点。"声子玻璃-电子晶体"(即高电导率低热导率材料)概念为设计理想的热电材料提供了一个明确的思路:目前,剪裁能带结构和降低晶格热导是改善热电性能的两个主流方向。其中降低晶格热导的方法主要集中在微观上改变声子色散关系,包括掺杂点缺陷和重原子、构造复杂的晶体结构和衍生非简谐性原子键、引入ratteling原子等等。中子散射技术(包括中子衍射、非弹性中子散射、中子漫散射等技术)可以从晶体结构、原子占位、均方位移、结构内应力、声子色散关系与态密度等多方面研究与晶格热导率相关的微观机制,在热电材料的研究中起着重要的作用。     

风冷式热电制冷实验装置研制

文章在热电制冷技术教学和应用实践的基础上,研制了风冷式热电制冷教学实验装置.实验装置由热电制冷器组件、电源模块、保温箱、测控系统等组成,可以满足热电制冷器的热工、电力参数测量和性能分析.实验结果表明,可通过调节热电制冷器的输入电压、改变热电制冷器的工作片数、调节冷却介质流量,达到调节热电制冷装置的工作参数和性能指标的目...     

关于影响热电制冷性能的研究

热电制冷是作为环保的制冷方式.介绍了热电制冷在空调(制冷、制热)中的两种工作模式.忽略热电制冷的汤姆逊效应,建立了热电制冷臂的数学模型.利用数值仿真,分析在不同电流工况下,热、冷换热系数的影响.基于第一类边界条件,详细分析了工作电流对热电制冷性能的影响.在空调制冷模式,确定了工作电流的工作区间.工作电流进行优化.对热电制冷技术在空调领域的应用具有重要意义.