热子气-气体和金属中热量传递的载体

热子气可以认为是热传导的主要载体, 是热量传递的载体. 类似于介电体中晶格振动能量量子化定义的声子, 大量的声子组成了声子气. 在气体和金属中则可以根据无规则运动的分子和电子所具有的能量定义热子, 大量无规则运动的热子就组成了热子气. 热子和声子、光子一样都没有静止质量, 但是热子的动质量可以连续变化, 即热子是非量子化的准粒子. 热子气在一定温度梯度驱动下的定向运动就形成了热流. 根据Einstein质能关系可以得到热子的质量为m_h=E/c², 即热能除以光速的平方. 热子气是具有真实质量的可压缩流体, 根据气体动力学原理, 并结合理想气体和金属中电子气的统计规律分别得到了两种体系中热子气的状态方程, 通过流体力学分析方法进一步推导出热子气的动量守恒方程, 它是具有阻尼的波动方程, 也就是普适导热定律. 基于热子气概念得到的普适导热定律可以用于定量研究由于热惯性作用而导致的极端条件下的非Fourier导热现象, 例如在超快速激光加热实验中出现的热波现象. 在通常情况下当热质惯性力作用可以忽略时普适导热定律将退化为Fourier定律. 利用两阶精度的有限差分格式, 计算了超快速飞秒激光加热金属薄膜条件下普适导热定律的热波解, 结果显示热波传递的波动性会随着热子气运动惯性作用的增强而增强.     

考虑非Fourier效应的Chen-Holmes生物传热模型的解析解

对考虑非Fourier效应的Chen-Holmes生物传热模型给出了一个带有热波的代数显式解析解, 该解析解除有重要的理论意义外(如加深对生物组织中热波现象的理解), 还可以作为标准解校验相关数值解与发展数值计算方法.     

石墨烯中热波传递的分子动力学研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,通过向扶手椅型和锯齿型单层石墨烯施加持续时间为1 ps的局部热脉冲,研究了其瞬态导热规律和特性.模拟结果表明,热脉冲在石墨烯中激发出两道以不同速度传递的波,一道波具有宏观动量,传播速度等于声速,是系统受热膨胀形成的声波(第一声);另一道波无宏观动量,传播速度约为声速的1/3,是晶格无规则振动形成的热波(第二声).热脉冲激发的声波是纵波,能量传递只有纵向分量,而热脉冲激发的热波是由面内横向晶格振动形成,只有横向能量分量.热量传递表现出的各向异性说明,在热脉冲传递过程中系统处于非平衡状态.另外,统计得到热脉冲能量传递距离与时间的关系约为2 1.80????t,说明热脉冲能量在石墨烯中是以弹道-扩散的方式传递的,弹道输运越强,热波现象越显著.热波波峰区域的能量传递为弹道输运,而在高温扩散区和热波衰减部分的能量传递则为扩散输运.     

弹道扩散导热的热质模型

经典的傅里叶导热定律只适用于扩散导热.在瞬态导热过程中,为了描述热量的波动输运,基于热质理论建立了普适导热定律.对于微纳尺度的器件,由于弹道输运的作用,傅里叶导热定律也将失效.然而现有普适导热定律尚不能描述由弹道输运引起的非傅里叶导热现象.本文通过边界条件修正的方法将普适导热定律扩展到了弹道扩散导热区域.首先用热质理论的观点分析了弹道扩散导热机理;然后从声子玻尔兹曼方程出发推导了修正边界条件模型;最后数值求解了修正的普适导热定律并与蒙特卡罗模拟进行对比,验证了本文模型的正确性.     

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.     

集成电路芯片非Fourier导热方程的显式解析解

对模拟集成电路芯片快速导热情况的非Ｆｏｕｒｉｅｒ热波方程给出了一系列代数显式解析解,它们还能组成多重级数解,解析解除在理论上有其无可代替折重要理论意义外,还可以用作检验数值解的标准解以及作为研究数值计算方法的基础。     

生物活体温升振荡效应的热波解释

生物活体组织受热而发生温度振荡的事实是生物传热领域内长期得不到合理解释的经典难题.Roemer等在其系列文章中详细研讨了这一问题,但实验难圆其说;Tharp等则人为选定一时间滞后方程描述该现象,但却缺乏严格理论基础.我们将更能反映导热本质的热波理论引入Pennes生物传热方程,成功地解决了上述问题.Pennes方程为-(?)·q+W_hC_h(T_h-T)+q_m+q_r=ρC(?)T/(?)T.(1)非Fourier效应导热公式为     

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.     

粗糙面激光脉冲非相干散射及强度起伏协方差函数

基于激光脉冲粗糙面散射特征,利用积分变换,误差函数和随机变量的统计矩,研究激光脉冲非相干散射和散射场量的强度起伏协方差函数特征.在入射激光波长?=1.06?m条件下,数值计算了不同粗糙面高度起伏均方和相关长度,不同入射角等影响因素下,散射场相干和非相干分量,以及强度起伏协方差函数随散射角和相干带宽频差的变化情况.计算结果表明,在激光脉冲入射下,随机粗糙面的高度均方越小,相关长度越大,即表面越光滑,散射场的相干和非相干分量在入射角镜反射方向出现最大峰值,非相干分量峰值在非入射角镜反射方向上会迅速减小,且非相干分量在量级比相干散射分量上小很多,散射场强度起伏协方差函数的分布趋势随着相干带宽频差的增大逐步减小,镜反射方向和相干带宽频差为零时出现最大峰值.本文所给出的研究结果,深化了粗糙面脉冲散射场量的四阶统计特征,为开展目标激光脉冲散射场量高阶统计特征和激光散斑探测研究奠定基础.     

TCi方法测试理论假设引入测量误差数值分析

飞行器热防护与节能保温等领域均需使用高效的隔热材料.导热系数作为表征材料隔热性能的重要参数,其准确测试具有重要意义.修正瞬态平面热源法(modified transient plane source method, MTPS)又称TCi方法,是在瞬态平面热源法的基础上发展起来的一种瞬态导热系数测试方法,因其具有单面测试、测试速率快、便于进行现场测试等优点而得到了较多应用.但其声称测试精度适用范围有待验证,不同方法对比或者相同方法不同测量方式均会出现较大的测试偏差.本文通过数值手段模拟TCi方法的实验测试过程,定量分析并揭示其测量理论假设对泡沫类、陶瓷类和金属类材料导热系数和蓄热系数测试精度的影响规律.结果表明, TCi方法可以比较准确地测试不同类型材料的蓄热系数,不同校准曲线对蓄热系数测试结果影响不大,但不同导热系数校准曲线所得结果差异较大,尤其是泡沫类材料,受探头隔热层影响非常显著,会使测试结果出现较大偏差.探头与测试材料之间的接触热阻会使高导热材料测试结果偏低,而对低导热泡沫类材料的影响可以忽略,添加接触剂可以显著降低接触热阻的影响. TCi方法理论假设中校准曲线及接触热阻均会对测试精度产生影响,这些误差累积后可能会显著影响测试精度.因此,使用TCi方法时需对其理论假设引入的误差予以分析.     

碳纳米管在热管理材料中的应用

碳纳米管由于具有优异的导热、导电和机械性能,为开发多功能导热材料提供了技术支持.本文综述了近年来碳纳米管在热管理材料领域的研究现状,探讨了碳纳米管在改性导热填料、各向异性碳纳米管薄膜导热膜材料以及复合热界面材料的研究与应用现状,并提出高密度、高取向碳纳米管薄膜及大管径碳纳米管阵列复合薄膜材料有望成为解决未来高频、高速器件、柔性器件等散热问题的优良材料体系之一.     

碳纳米管填充聚合物基导热复合材料的研究进展

电子器件的集成度不断提高,对相关的热管理系统提出了更高的要求.高导热材料在热管理领域起着重要的作用.高分子聚合物因其轻质、廉价、良好的绝缘性和加工性,已成为制备导热材料的热门选择.在聚合物中填充高导热的无机填料是提高导热性能的有效手段.碳纳米管是一种具有一维管状结构和优异热学性能的碳纳米材料,在填充型导热复合材料中具有广阔的应用前景.本文综述了以碳纳米管为导热填料提升聚合物基复合材料导热性能的可行措施,分析了碳纳米管的本征结构以及在聚合物基体中的分布状态对复合材料导热性能的影响.最后,总结了碳纳米管填充聚合物基复合材料研究中仍需解决的关键问题,并提出了未来研究方向.     

太阳能腔式熔盐吸热器随时空变化的光-热-力耦合一体化方法、机理分析及其失效准则研究

基于本团队前期已提出的蒙特卡洛光线追迹(MCRT)与杰勃哈特(Gebhart)方法耦合的光学模型,在综合考虑了吸热器内复杂的导热-对流-辐射耦合换热过程的前提下,建立了塔式系统中熔盐吸热器的光-热-力耦合的一体化数值分析模型.基于此模型,探讨了典型工况下吸热器的太阳辐射能流、温度以及热应力的时空分布特性,并考察了不同管材导热性能、熔盐流路布置方式对吸热器的光-热-力耦合特性的影响规律;最后提出了光-热-力耦合条件下腔式熔盐吸热器应力失效的临界能流密度判定准则.结果表明:非均匀的辐射能流对吸热器的温度与热应力影响显著,温度与热应力分布也呈强烈非均匀性;辐射能流与热应力随时空变化显著,但温度变化不明显,正午时刻辐射能流与热应力峰值最高,与上午11时和下午13时相比,峰值热应力分别增加11%与10%;不同管材对热应力的影响较为显著,采用高导热性能的吸热管材可有效降低热应力,与800H管材相比,采用高导热性能的316H管材峰值热应力可降低37%;采用低能流区向高能流区的熔盐流路布置方式吸热器温度分布更均匀,有利于降低热应力峰值,与相反的流路布置相比,峰值热应力可降低20%;管材断裂韧性可作为判断熔盐吸热器应力失效的重要指标,由本文提出的应力失效的临界能流密度判定准则表明,管材断裂韧性劣化越严重,导致吸热器应力失效的临界能流密度越低,增加吸热器失效的风险.     

纳米薄膜导热系数的分子动力学模拟

建立了一种导热模型,采用分子动力学方法模拟研究了厚度为纳米量级的固体薄膜在垂直于膜平面方向的导热系数,选取具有可靠实验数据和势能函数的固体氩作为模型系统。通过计算机模拟预报了纳米薄膜导热系数的“尺寸效应”：在膜厚度为２－１０ｎｍ范围内,薄膜导热系数值显著低于大体积实验值,并随膜厚度增大而增大。声子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ输运方程的近似解与计算机模拟结果相一致,揭示了导热系数的“尺寸效应”来源于薄膜边界对     

外墙外保温在保护热桥方面的研究

文章介绍了热桥及其对结构的危害性,基于导热微分方程的基本理论,利用ANSYS有限元软件对玻化微珠保温砂浆外保温墙体和无保温墙体热桥的温度场和热流密度进行了分析.     

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.     

基于污水处理技术的研究

文章介绍了热桥及其对结构的危害性,基于导热微分方程的基本理论,利用ANSYS有限元软件对玻化微珠保温砂浆外保温墙体和无保温墙体热桥的温度场和热流密度进行了分析。     

传热学的历史演变与今后趋向

1978年6月28日美国加州大学柏克莱分校田长霖教授在北京举行学术报告会,重点介绍了传热学的历史演变与今后趋向。 田教授首先谈到传热学包括四个部分:导热、对流、辐射和变相或多相传热。他指出,导热已有大约200多年的历史,从傅立叶研究导热开始,经过漫长的年代,直到19世     

外墙外保温在保护热桥方面的研究

文章介绍了热桥及其对结构的危害性,基于导热微分方程的基本理论,利用ANSYS有限元软件对玻化微珠保温砂浆外保温墙体和无保温墙体热桥的温度场和热流密度进行了分析。     

溶液沸腾给热的扩散模型及准数综合式

(一) 在多元液体中新汽相的发生和长大过程与純液体中的有本貭不同。現有的准数综合式都沒有反映溶液沸騰的特殊性,对溶液沸騰給热是不适合的。溶液中的汽泡形成和长大可以分为两个阶段:初始导热控制阶段和扩散控制阶段。在第一阶段,汽泡长大是靠分子导热传过的热量使內层溶剂分子汽化,这一过程基本与Plesset-Zwick之模型相