钨/石墨烷/钨第一壁材料缺陷与力学性能的第一性原理计算

托卡马克装置是实现可控热核聚变的主要装置之一,而第一壁材料在确保托卡马克装置稳定运行的过程中起着至关重要的作用.钨金属已被广泛使用作为第一壁材料,但是聚变反应产生的氦原子在进入钨晶体后易形成“氦气泡”和点缺陷,严重影响托卡马克装置第一壁材料的稳定性.首次设计将钨/石墨烷/钨体系作为第一壁材料.第一性原理计算结果表明,钨/石墨烷/钨第一壁材料中的界面可以捕获氦原子和空位,且能促进自填隙钨原子与空位复合,从而降低钨体相中的缺陷密度;弹性常数计算结果表明,石墨烷层的存在可以提高钨金属的柯西压力值(C’)和各向异性因子(A),使第一壁材料的延展性得以提高,且不易出现裂纹,但是在相同温度下钨/石墨烷/钨第一壁材料的力学模量有所下降;利用准简谐德拜模型计算吉布斯自由能G^*、定容热容Cv、熵(S)等热力学函数结果表明,钨/石墨烷/钨第一壁材料的热力学稳定性与纯钨金属相比有所下降.     

钨/石墨烷/钨第一壁材料缺陷与力学性能的第一性原理计算

托卡马克装置是实现可控热核聚变的主要装置之一, 而第一壁材料在确保托卡马克装置稳定运行的过程中起着至关重要的作用. 钨金属已被广泛使用作为第一壁材料, 但是聚变反应产生的氦原子在进入钨晶体后易形成"氦气泡"和点缺陷, 严重影响托卡马克装置第一壁材料的稳定性. 首次设计将钨/石墨烷/钨体系作为第一壁材料. 第一性原理计算结果表明, 钨/石墨烷/钨第一壁材料中的界面可以捕获氦原子和空位, 且能促进自填隙钨原子与空位复合, 从而降低钨体相中的缺陷密度; 弹性常数计算结果表明, 石墨烷层的存在可以提高钨金属的柯西压力值($C' $)和各向异性因子($A$), 使第一壁材料的延展性得以提高, 且不易出现裂纹, 但是在相同温度下钨/石墨烷/钨第一壁材料的力学模量有所下降; 利用准简谐德拜模型计算吉布斯自由能 $G^*$、定容热容$C_\mathrm V$、熵($S$)等热力学函数结果表明, 钨/石墨烷/钨第一壁材料的热力学稳定性与纯钨金属相比有所下降.     

羟基化碳纳米管/聚己内酯复合材料的结构和力学性能!

将羟基化多壁碳纳米管在超声波作用下均匀分散于己内酯单体中,通过原位微波辅助开环聚合的方法制备了聚己内酯/羟基化多壁碳纳米管复合材料.羟基化多壁碳纳米管的引入明显提高了聚己内酯材料的强度和模量,但是断裂伸长率却随着羟基化多壁碳纳米管含量的增加而持续降低.羟基化多壁碳纳米管的质量分数为0.5%时,纳米复合材料的拉伸强度和杨氏模量可提高至纯聚己内酯材料的2倍.利用扫描电镜、X线衍射、红外光谱和示差扫描量热分析揭示了纳米复合材料断裂形貌、结晶情况和热性质,进而探讨了羟基化多壁碳纳米管对提高力学性能的作用机制.     

薄形铜冷却壁的热态实验分析

为了减少高炉冷却壁的铜消耗量,降低单个铜冷却壁的价格,在保证高炉冷却效果的基础上,开发了一种薄型的铜冷却壁.为了测定该薄形铜冷却壁的冷却性能,设计了热态实验进行模拟实验.在未挂渣的情况下,当炉温为1200℃时,冷却壁冷面和热面的平均温度分别为72℃和135℃.当有热冲击的情况下,冷却壁冷面和热面的温度差变化不大.加快流速对降低冷却壁温度影响不大.当热面挂渣时,冷却壁的热流密度急剧降低,而且冷却壁热面温度随炉温变化很小.经过热态实验,薄型铜冷却壁的温度分布和热流密度基本符合高炉实际生产要求.     

碳纳米管在大功率LED灯具中的散热模拟

用基于有限元方法的Flo EFD软件,对碳纳米管在大功率发光二极管(LED)热管理中的应用进行模拟.建立起一个多壁碳纳米管阵列热传导的简化模型,据此模型对多壁碳纳米管阵列的等效热导率进行了计算.通过对采用不同热界面材料后LED灯具的稳态温度场分布的比较,发现碳纳米管阵列能大大提高灯具的热管理性能.模拟结果显示,采用聚氨酯碳纳米管复合材料涂层能大大降低结温.     

磁约束核聚变装置等离子体与壁相互作用研究简述

可控聚变能具有安全、清洁、燃料丰富等优点,是解决人类未来能源问题的主要选择之一.在磁约束核聚变装置中,来自高温等离子体的强热流、强粒子流与直接面对等离子体的器壁之间产生的强烈相互作用,不仅会导致第一壁损伤,产生杂质,污染等离子体,引起等离子体能量辐射损失与等离子体约束性能降低,同时滞留在壁上的燃料粒子再循环直接影响等离子体密度控制.稳态控制等离子体与壁相互作用对于实现长脉冲高参数的等离子体至关重要,其主要研究内容包括面对等离子体壁材料的选择及其表面处理以控制燃料粒子再循环与杂质产生,控制来自等离子体的强粒子流和热流以减少壁材料损伤,以及发展高效冷却结构以快速移除沉积在壁上的高热负载等.经过数十年发展,特别在我国EAST超导托卡马克上,研究了石墨、钨、铍、钼等壁材料与结构,发展了壁表面清洗与涂覆改性技术,提出了多种控制等离子体热流的先进方法,初步开展了流动液态金属壁的研究,取得了重要进展,有效控制等离子体与壁相互作用,促进了长脉冲高参数等离子体的实现与性能提高.针对具有更高热负荷、更长脉冲以及高能量中子辐照等特点的长时间不间断运行的未来聚变堆,等离子体与壁相互作用稳态控制仍然面临严峻挑战...     

试探粒子模型下托卡马克中逃逸电子的能量极限分析

高能量的逃逸电子轰击装置的第一壁材料会对托卡马克装置构成严重威胁.利用试探粒子模型分析了HT-7托卡马克中限制相对论逃逸电子的能量机制.     

聚变包层的螺旋槽纹管强化换热分析

针对聚变堆包层第一壁圆角处温度过高的问题,对局部结构进行流动传热模拟分析,并采用螺旋槽纹管结构进行改进.分析了螺旋槽纹管的槽深、槽宽、节距以及近壁面处螺纹覆盖的角度范围对圆角处换热的影响;结合理论分析和数值模拟结果,对第一壁圆角处的结构提出优化方案.研究结果表明:螺旋槽纹管对第一壁强化换热有很强的辅助作用,从热经济性角度分析,0.7mm左右的槽深能够最有效地优化模型;对第一壁的设计采用短节距的螺旋管型经济性能并不高;流道面对等离子体一侧的螺旋槽纹包裹角度应设计在90°~100°的范围.     

埋纯铜管铸铜冷却壁热态试验和热应力热变形研究

介绍了铸铜冷却壁的热态实验结果,采用数值模拟的方法分析了炉温、边缘接触压力对铸铜冷却壁热应力和热变形的影响.热态实验结果表明,铸铜冷却壁的冷却能力与轧制铜冷却壁相当,能够承受180 kW/m~2的热负荷,短时间内能承受250 kW/m~2的热负荷.热应力计算结果表明:铸铜冷却壁在高热负荷下不会产生疲劳裂纹.通过在杭钢2号高炉的工业测试说明铸铜冷却壁有很强的挂渣能力,且渣皮稳定.因此,铸铜冷却壁满足了高炉长寿的要求.由于铸铜冷却壁具有冷却能力大、自由布置冷却通道走向、成本较低等优势,因此有着很好的工业应用前景.     

高炉铜冷却壁热态实验及温度场数值模拟

根据铜冷却壁传热过程分析,得到铜冷却壁热面复合传热系数的计算公式,并在1∶1的热态实验炉上进行了热态实验,得到不同炉气温度下相应的热面复合传热系数值.建立了铜冷却壁三维数学模型,模拟铜冷却壁在几种不同的热面边界条件下的温度场分布.通过与热态实验结果对比分析可知,热面复合传热系数不能取恒定值,需要考虑炉气温度变化的影响.通过模拟结果,计算壁体热流密度的分布,还可得到热面渣皮的厚度的变化范围.     

热送直轧过程中感应线圈壁厚对补热效率的影响

根据电磁感应和热传导理论,针对线圈壁厚对系统效率的影响,利用ANSYS对连铸坯在感应补热过程中多物理场的耦合问题进行了有限元解析与模拟,定量化地得到线圈壁厚对热效率的影响规律,发现感应线圈壁厚为3 mm时,感应器的热效率最高;感应线圈壁厚对铸坯补热后的断面温度及其分布无影响.这对感应补热装置的设计及热送直轧工艺的实施提供了重要的参考依据.     

十二醇/三聚氰胺-甲醛核壳结构材料的制备

采用原位聚合法以三聚氰胺-甲醛树脂为壁材、十二醇为芯材,合成了十二醇/三聚氰胺-甲醛核壳结构材料.研究了复相乳液形成区、反应物摩尔比及反应条件对合成的影响,确定了合适的反应工艺,并利用红外光谱仪、扫描电子显微镜、热失重分析仪及激光粒度分析仪对产物进行红外特征吸收光谱、表面形态、粒径分布以及热质量损失情况的分析.结果表明,该材料具有良好的外观特性及热稳定性,可用于特种涂料的制备.     

亭壁蒸发器换热性能的理论分析及仿真

为解决岗亭空调占地及冬季空气源热泵适应低温环境差的问题,提出一种在外壁面涂有太阳能选择性吸收材料的亭壁蒸发器,以吸收太阳能和室内外空气的热量的策略.应用制冷系统热动力学的理论,建立亭壁蒸发器数学模型,提出复合对流换热系数的概念.基于Matlab软件对亭壁蒸发器建立仿真程序,进行实验验证,并分析太阳能辐射照度、环境温度及结构参数对亭壁蒸发器运行状况的影响.研究结果表明:该模型能有效预测亭壁蒸发器的运行工况;太阳辐射照度对亭壁蒸发器的影响最大.     

煤粉壁摩擦特性的实验与模拟

为了研究仓壁材料性质、粒径对煤粉运动壁摩擦角的影响,用Jenike剪切测试仪,测试不同粒径煤试样在不锈钢板、碳钢板、环氧板3种常用仓壁材料上的运动壁摩擦力.结合Jenike松散物料流动理论,探讨了不同粒径煤试样运动壁摩擦系数的变化.结果表明:仓壁材料表面的粗糙度越大,煤粉的运动壁摩擦系数越大;材料刚度越大,煤粉的运动壁摩擦系数也越大;水分一定时,煤试样中小粒径煤粉含量越多,壁摩擦系数越大.同时,用离散单元法(DEM)对这一壁摩擦过程进行模拟研究.分析比较模拟结果和实验结果表明:数值模型能够有效模拟实验过程,仓壁材料粗糙度、刚度以及煤粉粒径对壁摩擦系数的影响规律与实验结果相同.     

密胺树脂包覆甲基丙烯酸正丁酯微胶囊的制备

以甲基丙烯酸正丁酯（BMA）为囊芯,密胺树脂为高分子囊壁材料,采用原位聚合法制备具有自修复功能的微胶囊.利用激光粒径分布仪、光学显微镜、微机差热天平和傅里叶变换红外光谱仪分别研究了微胶囊的粒径分布、表面形态、热性能和化学结构.讨论了乳化剂用量、搅拌速度以及芯材与壁材的投料质量比对微胶囊制备工艺的影响.结果表明：所得微胶...     

高炉冷却壁热表面传热系数的研究

基于边界条件替代法建立了高炉冷却壁热表面与炉气间的传热系数计算模型.采用试验测量冷却壁温度场和温度场数值计算相结合的方法,确定了炉气温度为505～1 248 ℃时炉气与冷却壁壁体及炉气与捣打料间的传热系数.理论分析了在炉气温度较高时炉气与捣打料间传热系数大于炉气与冷却壁壁体间传热系数的原因,从而改变了以往在冷却壁传热模型计算中冷却壁热表面传热系数只用一个综合传热系数的观点,两种传热系数的区分使传热数值计算精度更高.     

冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁的热应力和热变形

为了满足高炉长寿的需要,开发了一种具有高冷却性能的铸铁冷却壁. 利用热态实验数据确定了合金化管铸铁冷却壁温度场数值模拟的边界条件,采用ANSYS软件和热-结构耦合的方法分析炉温、渣皮和边缘接触压力对高温状态下铸铁冷却壁热应力及变形的影响,以便采取有效的措施降低铸铁冷却壁热应力,控制其变形. 根据球墨铸铁强度分析理论提出评价长寿铸铁冷却壁冷却能力的新概念--高周热负荷.     

火积理论在高炉冷却壁性能评价中的应用

基于火积理论分析得出了高炉冷却壁的火积平衡方程式以及冷却壁中的火积耗散.在此基础上定义了高炉冷却壁的热阻.根据最小热阻原理,提出用高炉冷却壁的热阻来评价其传热性能的优劣的观点,通过实例说明了高炉冷却壁热阻的计算方法,比较了不同冷却水管间距下冷却壁热面最高温度及热阻之间的关系.结果表明,随着冷却水管间距的改变,冷却壁热阻与热面最高温度有相同的变化趋势.在一定的边界条件下,高炉冷却壁的热阻可以评价其传热性能的优劣.     

沸腾传热对水平热壁上的泄漏燃油着火的影响

为了得到在机舱中泄漏燃油喷流到热壁面上发生着火的规律,通过实验模拟了泄漏燃油在水平热壁上的着火过程,分析了热壁与燃油之间的沸腾传热对着火延迟期的影响,发现着火延迟时间随热流密度的变化规律,建立了着火延迟期的预测模型,既补充了热壁上燃油着火机理的相关内容,又为热壁热安全防护的工程实践提供了相关参考.     

铜钢复合冷却壁热变形分析

提高高炉炉腰及炉身下部冷却壁抗热变形能力是维持高炉长寿的关键.采用热态实验和数值模拟手段研究高炉炉腰及炉身下部区域铜钢复合冷却壁的传热及热变形行为,并与铜冷却壁进行对比分析.铜钢复合冷却壁热面无渣铁壳覆盖,煤气温度1200℃条件下,铜钢复合冷却壁最高温度为180℃,传热性能与铜冷却壁接近.铜钢界面最大等效应力约为114.45MPa,低于铜钢复合板的抗拉强度.铜钢复合冷却壁发生弯曲变形,中心z向位移为0.66 mm,较铜冷却壁低约25.8％;顶底端沿z向位移为0.13mm,较铜冷却壁低约50％;曲率为0.93×10-4 mm-1,较铜冷却壁低约51.81％.铜钢复合冷却壁抗变形能力优于铜冷却壁,可以避免铜冷却壁热变形过大导致的螺栓及冷却水管断裂破损问题.