超声固体测温中的二维温度场重建算法研究

高分辨率的温度场重建算法是制约超声波无损探测固体内部温度分布的重要因素之一.本文基于多路超声探测方法,建立了超声测量二维固体结构内部温度分布的理论模型;从射线声学角度建立了二维声传播路径预测方法;在此基础上,从直接求解热/声耦合反问题角度入手,将二维瞬态非均匀温度场的重建问题转化为传播路径预测和等效热边界的反演问题,发展了一种高分辨率的结构内部二维非均匀温度场重建方法,并通过数值仿真分析了传播路径随温度的弯曲特性、算法的精度与抗噪性、测点位置分布对重建精度的影响规律等.数值对比表明,本文所建算法精度高、抗噪性强、适用性好,为实现超声固体测温中的二维温度场的高分辨率再现奠定坚实基础.     

大载流高速滑动电接触表面瞬态温度分析

高速滑动过程中接触表面瞬态高温会改变接触表面环境,烧蚀接触表面,加重摩擦磨损.本文针对大载流下高速滑动电接触表面瞬态温度场进行测量与分析研究,结合传热学和有限元基本理论,对接触表面瞬态温度场进行热分析,建立温度场计算模型,研究了不同热源对接触表面温度场的影响.利用高速滑动电接触试验机,采用非接触式辐射测温方法,对大载流高速滑动电接触瞬态温度进行测量,并将实际测量数据与有限元模拟结果相结合,验证了仿真模型的正确性,进一步分析了滑动速度及电流载荷的变化对接触表面温度场的影响.本文对大载流高速滑动电接触表面温度场的研究结果,为如何降低接触表面温度、选择合适接触材料以及减小损耗等提供了技术依据.     

瞬态承压热冲击下AP1000反应堆压力容器热应力数值模拟

反应堆压力容器是反应堆系统中最重要的组件之一.在失水事故中通过安注嘴注入的低温冷却水会导致反应堆压力容器发生严重的承压热冲击现象.本文针对AP1000反应堆压力容器承压热冲击现象进行了流体动力学和热-力耦合分析,得到了在冷却水注入瞬态过程中反应堆压力容器内部流场以及壁面温度分布特性,并采用双线性弹塑性模型对反应堆压力容器由于瞬态非均匀温度分布引起的热-力耦合现象进行分析.结果表明,承压热冲击现象会导致反应堆压力容器局部应力过高,在安注嘴区域应力甚至会超过材料的屈服强度,但在安注嘴以外的其他区域结构是安全的并保持在较低的应力状态.本文的数值模拟方法和分析结果可为反应堆的可靠性和安全性评估提供参考.     

基于PCE代理模型和贝叶斯优化的结构参数快速反演方法

为保证工程结构的安全,根据实测资料进行反演分析,获取真实环境下的材料参数值具有重要价值.而现有的参数反演方法普遍存在计算效率与精度不可兼得的问题.本文利用小样本构建基于混沌多项式展开(polynomial chaos expansions, PCE)的高精度代理模型,并采用贝叶斯优化进行参数反演.新方法基于大型结构响应随机量化方法,充分利用复杂因素影响下结构响应随机特性,并依据贝叶斯后验更新方法,仅需要少量正向计算样本,便可高效、精确地进行大型结构的参数反演.某混凝土拱坝材料参数的反演算例表明,与基于贝叶斯优化算法直接进行迭代优化反演方法和基于Kriging代理模型的反演方法相比,本文所构建的方法具有优异的计算效率,适合于大型复杂结构问题的快速反演,为实际工程中在线反演和实时预测提供了新的发展维度.     

考虑对流换热因素的阶形脉冲激光加工热过程解析解及实验验证

材料的激光加工热过程是涉及激光束、工件及周围环境相互作用的复杂热交换问题, 特别是对流换热边界条件的变化将对温度场分布及加工质量产生很大影响. 而以往的温度场求解中, 对流换热条件基本都被简化或忽略, 直接影响了温度场及后续流场、应力场的计算准确性和精度. 研究了考虑对流换热边界条件的材料表面脉冲激光加工热过程, 通过Laplace变换的方法求解出物体温度场分布的解析解, 对无量纲参数进行了适当地设置和定义, 研究了无量纲距离x′、无量纲时间τ、表面无量纲能量吸收M及Biot数Bi与温度分布(无量纲温度T ′)之间的相互关系. 通过分析表明, 随着Bi值的增大, 外界的对流换热作用越来越强烈, 使得温度最大值所处位置偏离开材料表面, 逐渐向内部偏移. 采用红外测温的方法对解析解模型进行了实验验证, 取得了较为理想的结果.     

热声固耦合问题多参数识别中解的唯一性和算法研究

本文研究了一类热声固多物理场耦合中的初边值识别问题,建立了基于超声回波时间测量的固体结构表面热流和尺寸的多参数同时识别模型.利用热传导方程的极值原理,证明了耦合问题多参数识别中解的唯一性,为超声同时测温测厚等工程应用提供了理论支撑.在数值求解正问题的基础上,将反问题重新表述为由偏微分方程约束的优化问题.将共轭梯度法反演热流和最速下降法反演厚度相结合,发展了多参数识别问题的交替迭代算法,并通过严格的收敛性分析,给出了交替迭代算法的收敛性条件,证明了算法的全局收敛性.最后通过设计数值算例,验证了本算法的可靠性和可行性,并对比了仅识别热流的单参数识别算法,验证了本算法在精度方面的提高.     

注入电流式热声成像的声源重建

为了实现对生物组织的内部深层信息的探测,本文提出了一种新型的无损医学成像方法,即注入电流式热声成像.注入电流式热声成像是一种以超声信号为传递媒介来反映生物组织电导率信息的医学成像方法.首先,本研究对注入电流式热声成像方法的原理进行了研究,将目标体内通入微秒级脉宽的高斯脉冲电流,目标体吸收焦耳热瞬时膨胀,向外发出超声信号,利用时间反演法对探测的超声信号进行处理,来重建目标体的声源分布,进而反映生物组织内部电导率信息;其次,以低电导率的椭圆模型和复杂模型为目标体,建立了仿真研究,借助有限元方法对注入电流式热声成像正、逆问题进行仿真,并重建模型的热声图像;最后,本文搭建了注入电流式热声成像实验装置,对凝胶仿体产生的声信号进行检测和采集,并重建目标体的声源分布.仿真和实验结果表明,重建的声源分布能展现目标体电导率的分布信息.本研究为注入电流式热声成像应用于生物组织的研究提供了较好的理论和实验基础.     

青藏高原热红外遥感与地表层温度相关性研究

通过对青藏高原热红外遥感数据与地表层温度场分布规律的分析,确定影响地表层温度的陆面因素,采用神经网络技术建立通过热红外遥感反演陆面参数预测地表层温度的模型,利用该模型对各陆面参数与地表层温度的相关关系进行了分析.该方法为热红外遥感用于大面积地块缝合带监测以及研究构造热异常探索了一种新途径.     

利用共轭梯度法反演钢包内钢液温度分布

为提高钢铁生产中浇铸的命中率,需对钢包内钢液温度进行测量,传统方法是用热电偶直接测量,但热电偶易损坏、成本高,且测点数目有限,不能完全反应钢液温度分布情况。针对上述问题,提出使用共轭梯度法（CGM）反演钢液温度分布。建立钢包的二维稳态传热模型,采用有限元法对钢包传热模型进行离散,获得钢包传热系统温度场;通过构建误差信息最小化函数,建立反演模型,利用CGM对刚包内钢液温度分布情况进行反演。并对某80t钢包模型仿真试验。试验证明,利用上述传热学反问题能够有效的对钢包内钢液的温度分布情况进行辨识,证实了通过传热学反问题方法辨识钢包内钢液温度分布的有效性,为钢包内钢液温度的准确识别提供新的技术手段。     

一种新型瞬态量热计的研制

薄膜电阻温度计和同轴热电偶是两种常用的瞬态热流传感器,前者灵敏度高,但不适用于气流冲刷严重的场合;后者耐冲刷,但灵敏度较低,且响应特性易受结点细微结构的影响,只适用于高热流环境测量.基于量热计原理,本文提出了一种兼具两者优点的新型瞬态热流传感器.该传感器以金刚石片作为量热片,利用溅射其背面的铂膜电阻测出温度变化,而后由量热计原理得出表面热流.传感器的设计和优化借助了理论分析和数值计算,并讨论了可能引起测量误差的因素及解决方法.激波风洞试验结果表明:新型瞬态量热计灵敏度高耐冲刷,测量结果准确可靠,具有发展潜力.     

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.     

环境一号B星热红外波段单通道算法温度反演

文中在考虑环境一号B星(HJ-1B)热红外波段(infrared scanner,IRS4)光谱响应函数和有效波长的基础上,通过MODTRAN4模型模拟,对Jimenez-Munoz和Sobrino(JM&S)单通道算法中的大气函数进行改进,重新计算得到了适合HJ-1B星IRS4地表温度(land surface temperature,LST)反演的3个大气函数公式,并反演了福州地区的地表温度.采用基于星上辐亮度法对反演的地表温度进行精度评价,并将反演的地表温度与JM&S算法、段四波等修正的JM&S算法反演的地表温度进行对比分析.结果表明:使用文中改进后的大气参数对HJ-1B星IRS4进行地表温度反演,可取得较好结果.     

大坝变形温变效应分析方法研究

本文基于坝体内部温度场变化滞后于环境温度变化的现象,将连续变化的环境温度离散化,研究得到单个瞬时环境温度变化过程引起坝体温度位移的函数关系,并考虑了环境温度场的时空分布规律与水温、气温等之间的相关关系,将其在目标监测日进行多元函数泰勒展开,得到了大坝位移安全监控模型温度分量的改进表达形式,据此提出了改进温度分量的大坝位移统计模型.     

层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及基于分析解的热设计优化

大型锂离子动力电池的热相关问题是限制其在电动汽车上大规模应用的主要问题之一.单体电池的热模型是进行电池热设计、改善电池热特性的重要工具.根据热模型的求解方法,可分为数值解和分析解两类.在现有文献的研究中,数值解占据了主要地位.但是,分析解因具有计算量小、可实现设计变量的全局优化等优点,在电池热设计和电池组热管理系统中可发挥重要作用.例如,在电池热设计中,分析解可全面考察多个设计参数连续变化下对电池热特性的影响,以进行多设计参数下的全局优化.本文首先对一款大型层叠式锂离子电池进行了数值热模拟和实验验证,数值热模拟的结果与多枚热电偶的实验测量结果吻合良好;然后,基于数值热模拟的结果提取了层叠式电池温度分布和产热率分布的主要特点,进而假设温度呈展向平面分布、产热率均匀分布;针对简化后的电池热问题,利用双重积分变换方法提出了分析解;最后,使用分析解开展了电池的热设计优化工作,讨论了不同电芯尺寸和极耳布置方案下的电池热特性.     

氢燃料电池热特性测试平台设计和应用

国内氢燃料电池大功率、全负载的发展面临温度一致性与余热利用的热管理挑战.为了获得大功率氢燃料电池的能量转化与温度分布等热特性规律,搭建了模块化的氢燃料电池热特性测试平台,并进行应用研究,验证了该平台的功能性和实用性.该测试平台包括冷却散热模块、热特性测试模块、数据采集模块与控制模块等,能够在对热管理关键温度进行监测并对氢燃料电池产热特性进行实时测量分析的基础上,利用红外热成像与热电偶阵列对燃料电池各单元间的温度一致性进行测试与评价,旨在为余热利用、提升温度均匀性等先进热管理技术的研究提供测试手段与数据基础,对推进氢燃料电池汽车的节能化、高效化具有重要意义.     

基于边界元和分散式模糊推理的圆筒内壁形状识别算法

利用边界元法(BEM)和分散式模糊推理(DFI)算法求解二维稳态传热学几何反问题。首先,给定边界形状的初始猜测值,利用BEM求解传热学正问题,得到边界温度计算值;然后,根据DFI反演算法,利用温度测量值与其计算值的差值推理得到一组模糊推理分量;最后,对模糊推理分量进行综合加权,得到边界形状的补偿量。本文通过数值实验验证了DFI方法的有效性,讨论了初始猜测值、测量点数目以及测量误差等因素对反演结果的影响,并与共轭梯度法(CGM)的反演结果进行了对比。数值实验结果表明,与CGM相比,DFI降低了反演结果对温度测量点数目的依赖程度,增强了对温度测量误差的抗干扰能力,具有更好的抗不适定性。     

温度对混凝土箱梁结构模态参数的影响

在结构动力学关于多自由度自由振动的理论前提下,以两端箍支的混凝土箱梁为模型,通过有限元程序ANSYS建模,得到了相应温度条件下的结构响应;分析了不同温度场分布、不同季节、不同跨度对结教模态参数的影响。得出的结论对混凝土箱梁结构的健康检测具有重要的借鉴意义。     

TCVI工艺制备C／C复合材料的多物理场耦合模拟

采用2D轴对称瞬态模型对热梯度化学气相渗积（TCVI）22艺制备高性能C／C复合材料过程进行模拟．模型包括对流、热传导、扩散、沉积反应和孔隙演变等物理化学过程．采用有限元方法实现了多物理场迭代耦合计算，得到了各时刻流场、温度场和密度分布规律，研究表明对流对温度场分布具有重要影响．对于采用TCVI工艺致密化100h的C／C复合材料，对比实验测得的预制体平均密度径向分布，计算结果与实验结果符合一致规律，验证了模型的可靠性和模拟计算的预测能力．     

HJ-1B卫星遥感数据在重庆市城市热环境监测的应用分析

本文以MODIS反演大气透射率,以HJ-1B/CCD分类结果反演地表比辐射率,并基于单窗算法,利用HJ-1B/IRS4数据反演地表温度.在此基础上,提取研究区的热场变异指数来分析重庆热岛空间分布特征,并就NDVI与NDBI对热岛效应的影响进行了分析.其结果如下:1)重庆城市热岛大致位于中梁山、铜锣山之间,呈东北、西南走向分布;2)热岛中心不在市中心,而是集中在大渡口工业园区、江北机场这些能耗大、人口密集区域,热岛强度范围在5?C-10?C之间;3)接近长江、嘉陵江水域的建筑用地密集区域,其热岛效应并不明显;4)NDVI与热岛强度呈负相关关系,NDBI与热岛强度呈现较为明显的正相关关系,二者对热岛都有重要影响,而NDBI的影响更大.因此,利用HJ-1B数据监测城市热环境,能较好地揭示重庆城市热岛空间分布特征,为城市环境监测与改善提供参考.     

“嫦娥”1号对月球表面微波辐射观测分析及其月壤厚度反演

我国"嫦娥"1号绕月卫星在世界上首次搭载了多通道微波辐射计,测量整个月球表面的微波热辐射,由此用以反演月球表面月壤厚度分布.文中以"嫦娥"1号微波辐射计2007年11月至2008年2月对月表的621轨观测数据为基础,由太阳入射角选取与归组对应的月表辐射亮度温度,按近邻插值方法得到整个月球表面昼夜辐射亮度温度分布.由月尘、月壤、月岩三层微波热辐射模型分析月球表面辐射亮度温度随纬度、频率以及FeO+TiO₂含量的分布特征.首先以Apollo着陆点月壤层参数的实测值为基础,对Apollo着陆点辐射亮度温度的实测值与理论值进行了比较和定标分析。以Apollo着陆点高频通道对物理温度的反演为基础,结合月表面物理温度随纬度变化的经验性结果,由穿透深度较大的3 GHz通道的辐射亮度温度反演出整个月球表面的月壤厚度分布,并与Apollo着陆点月壤厚度的实测值做了比较与验证。