梯度功能材料在烧蚀条件下温度场的数值模拟

建立了功能梯度材料在烧蚀条件下传热的物理模型和数学模型,利用弹性网格的方法对移动边界的温度场进行了分析。最后对碳／陶瓷梯度功能材料进行了计算。     

基于烧蚀原理的激光抛光的数值建模与分析

采用连续激光对304不锈钢材料进行了基于烧蚀原理的激光抛光实验,得到了较好的抛光效果.耦合激光抛光中的传热和材料汽化,建立了一个二维瞬态数值模型,仿真了激光抛光中工件表面的演变,预测了激光抛光后工件的表面形貌和表面粗糙度值,仿真结果与实验结果十分接近,误差仅为8.17%.此外,利用该模型研究了激光抛光中工件表面移动速度的分布情况,确定了表面移动速度与初始表面形貌的关系:表面形貌波峰位置的表面移动速度较大,而波谷位置的表面移动速度较小,揭示了基于烧蚀原理的激光抛光降低工件表面粗糙度的机制.     

梯度功能材料的传热与烧蚀计算

以热化学烧蚀二方程模型为基础,用烧蚀与传热耦合计算的方法,研究了梯度功能材料的烧蚀及热防护机理。以新研制的C／C／Al2O3碳陶梯度功能材料为研究对象,对此类材料的烧蚀率计算公式进行了推导。并将计算结果与试验结果进行比较,两者符合良好,进而分析了材料组分的梯度分布对于烧蚀边界条件下试件内部温度场分布的影响。     

复合枪管传热的数值分析

枪管烧蚀引起枪管尺寸逐渐改变。烧蚀是热、化学和机械因素共同作用的结果,其中热起主要作用,计算枪管射击时的温度分布有助于了解枪管烧蚀过程。该文选择了３ 种枪管结构形式,建立了用有限差分法求解射击时温度分布的数学模型,确定了有关参数,计算了相同射击条件时３ 种结构枪管射击后的温度分布,分析了材料性能对温度的影响。计算结果对进一步研究枪管结构具有参考价值。     

燃气流气动加热环境中碳基复合材料烧蚀传热特性分析

为研究燃气流气动加热环境中碳基复合材料的烧蚀传热特性,通过燃气流环境中碳基复合材料的化学反应、热化学烧蚀以及热响应模型分析,建立相应的烧蚀传热计算模型,对比燃气流平板及驻点烧蚀试验的烧蚀量试验与计算结果,两者吻合较好.在此基础上,分析燃气流与空气环境中碳基复合材料烧蚀传热特征的差异,以及燃气组分、压力等参数变化对碳基复合材料烧蚀传热特性的影响.研究表明,在同样的热环境条件下,燃气流环境下的材料表面温度低于空气环境下的结果,烧蚀后退量高于空气环境下的结果;表面温度和烧蚀后退量分别随着H_2O和CO_2含量的增加呈现减小和增大的趋势,H_2O的影响程度更大.     

含金属丝碳/碳复合材料的烧蚀产物

利用热化学理论及传热传质理论分析了碳/碳化金属/碳烧蚀机理;依据化学动力学中热力学参数与平衡常数关系得到烧蚀产物平衡常数与温度的简单关系式;在一定温度和压力条件下,根据化学反应式、平衡常数与分压关系式和组元浓度与分压关系式联合推导出封闭的烧蚀产物方程组,利用FORTRAN编程,求解得到烧蚀产物浓度和烧蚀速率与温度、压力的关系.计算结果表明含金属丝碳/碳复合材料在高温高压下,金属丝的氧化与碳的氧化相比可以略去,边界层内压力与温度共同决定烧蚀气体成分比例和烧蚀速度.     

导轨式电磁发射装置电枢熔化波有限元计算

针对单元烧蚀算法精度较低的问题,基于导轨式电磁发射装置的二维控制方程,推导出采用求解量移动法处理运动问题的伽辽金有限元离散方程,建立了电磁-温度-运动耦合场有限元计算模型。以单元节点为烧蚀判断对象,采用节点烧蚀算法处理电枢材料烧蚀问题,建立了电枢熔化波模型,对运动电枢的烧蚀速度进行了数值计算。模型的计算结果表明:在激励电磁感应强度为40T、电枢运动速度为150m/s的情况下,采用节点烧蚀法得到的熔化波烧蚀速度为Barber理论模型计算值的94%,而相关文献采用单元烧蚀法的计算值为Barber理论模型计算值的73%。因此,与采用单元烧蚀法相比,采用节点烧蚀法的计算值与Parks和Barber两个经典理论模型的计算值更加相近,验证了该方法的正确性。     

导弹头锥烧蚀数值模拟

针对高速飞行导弹建立了气动加热及烧蚀的数学计算模型,应用"飞机结构三维温度场分析"程序,根据物体面表面径烧蚀量移动边界,通过"热阻"处理不同结构件的接触问题,成功地进行了烧蚀和温度场的直接耦合求解.计算结果表明了导弹头锥的烧蚀和温度分布规律.     

碳/酚醛复合材料体积烧蚀行为的数值模拟

为了准确掌握碳/酚醛防热复合材料的烧蚀特性和烧蚀机理,基于质量和能量守恒、材料热分解以及物性的计算方程,应用数值模拟方法计算了碳/酚醛复合材料的热响应和体积烧蚀行为.计算结果表明:烧蚀过程中碳/酚醛复合材料具有不均匀的温度场分布,在厚度方向上最大温差达到了634 K,并且加热面上基体温度比纤维温度高出了175 K;酚醛基体的平均密度几乎呈线性衰减,40 s时平均密度降低了37.8%;烧蚀过程中酚醛基体具有较大的质量损失,40 s时质量损失了0.31 g,是20 s时的2.4倍.     

热防护材料烧蚀温度场的近场动力学模拟

热防护材料烧蚀过程是一个典型的非线性、不连续问题。近场动力学理论采用空间积分方程代替偏微分方程,能自然地描述烧蚀面的移动而不需要引入其他临界条件和数值方法。提出了只考虑接触近邻的热键模型,推导了改进的近场动力学瞬态热传导理论,引入烧蚀损伤模型,能够简单准确地捕捉热流,实现了对烧蚀过程的描述。最后对方法的准确性和有效性进行了验证,数值结果与文献中的理论结果和实验结果吻合很好。     

内翅式太阳能球形胶囊传热特性的模拟研究

采用Fluent软件对球形胶囊蓄热单元进行了传热特性分析;并使用恒温水浴锅加热蓄热单元来模拟恒温加热环境,对球形胶囊内翅片的熔化过程进行实验验证。获得了球形胶囊内部监测点的温度时间曲线。将模拟结果和实验结果进行对比,得到较好的一致性,验证了胶囊内相变材料的熔化模型的准确性。根据模拟与实验的结果优化蓄热单元,以带有内翅片的球形胶囊蓄热单元为研究对象,将KNO3作为相变材料,对翅片同厚度(1.5 mm)、不同翅片长度(0 mm、58.5 mm、68.5 mm、73 mm)的蓄热单元建立四个模型。结果表明,胶囊内添加翅片增大传热效率,且随着翅片长度的增大,胶囊内温度分布均匀化;对球形胶囊内翅片传热分析具有指导意义。     

基于恒温边界一维非稳态传热模型测量固体材料热物性参数

采用超级恒温水浴结合黄铜板形成恒温边界,通过控制试样尺寸(长和宽为厚度的8~10倍)结合侧壁面绝热层,保证在试样中产生准均匀一维热流。然后基于恒温边界下的一维非稳态传热模型,利用随机共轭梯度法对固体材料导热系数、比热容等进行参数估计反演计算。针对比热容灵敏度系数较低,参数反演估计误差较大的情况,估计热扩散率,并对比热容估计结果进行修正。建立实验测试装置,对松散煤体进行热物性测试,分析温度测量误差对估计结果的影响。最后,对玻璃等6种材料进行热物性测试分析。研究结果表明:利用随机共轭梯度法进行参数估计,准确性和抗不适定性较好,温度测量标准差达0.6时,仍能保证足够的参数反演精度(相对误差10%)。     

背景气压对纳秒脉冲激光烧蚀半导体Ge的影响

为了深入理解在纳秒激光烧蚀半导体材料过程中背景气压对烧蚀过程以及羽流膨胀动力学特性的影响,本文利用一维激光烧蚀和流体动力学耦合模型,对不同He气压下的纳秒脉冲激光烧蚀半导体Ge的过程进行了模拟计算.结果表明：在氦气环境下,背景气压的变化对辐照在靶面的激光能量影响较小,因此靶面蒸发率、靶面温度和靶面烧蚀深度对气压变化的敏感程度较低;同时,背景气压的增大抑制了羽流膨胀,使羽流膨胀速度减小.计算结果和分析对于优化纳秒激光烧蚀半导体时背景环境气压具有理论指导意义.     

内翅式太阳能球形胶囊传热特性研究

采用Fluent软件对球形胶囊蓄热单元进行了传热特性分析;并使用恒温水浴锅加热蓄热单元来模拟恒温加热环境,对球形胶囊内翅片的熔化过程进行实验验证。获得了球形胶囊内部监测点的温度时间曲线。将模拟结果和实验结果进行对比,得到较好的一致性,验证了胶囊内相变材料的熔化模型的准确性。根据模拟与实验的结果优化蓄热单元,以带有内翅片的球形胶囊蓄热单元为研究对象,将KNO3作为相变材料,对翅片同厚度(1.5 mm)、不同翅片长度(0 mm、58.5 mm、68.5 mm、73 mm)的蓄热单元建立四个模型。结果表明,胶囊内添加翅片增大传热效率,且随着翅片长度的增大,胶囊内温度分布均匀化;对球形胶囊内翅片传热分析具有指导意义。     

基于摄动法的相变材料熔点附近热导率测量方法

以Stefan半无限大理论为基础,建立柱坐标系下一维径向相变传热的数学模型;运用摄动法推导相变材料熔点处液相热导率与相界面移动规律之间的测量模型,基于此模型设计一套测量相变材料熔点附近热导率的测量系统。采用相变蓄热系统中常用的结晶水合盐——八水氢氧化钡作为实验对象,分别在热边界温度为356,361和366 K时进行实验,通过测量相界面的移动变化规律,计算得到相变材料的热导率。研究结果表明:在这3个热边界温度下,相变材料液相热导率测量平均值分别为0.673,0.658和0.651 W·m-1·K-1;采用该方法进行测量时,只需控制热源边界温度,无需测量热流密度,1次实验即可获得多组热导率,测量精度较高,具有较强实用性。     

基于相变材料的锂离子电池热管理

相变材料被动式冷却利用相变材料相变时温度基本保持不变吸收或放出热量的特性,对电池组进行热管理。该冷却方式具有寄生功耗低、温度均匀性好、吸收或释放热量多等特点。但由于相变材料导热系数普遍较低,难以满足电动汽车在高电流密度工况下的电池热管理要求,从而限制了相变材料在电池热管理中的进一步应用。如何有效地提高相变材料的导热系数,同时保证其储热能力和化学稳定性,成为了研究相变材料电池热管理系统的关键问题。通过强化传热措施包括添加导热颗粒、金属翅片、泡沫金属和膨胀石墨可提高相变材料的导热系数。总结了四种强化相变材料传热的措施的研究进展,并概述了其传热措施的影响因素和强化传热效果。     

表面温度波动对微合金钢连铸板坯热塑性的影响

由于铸坯表面与二冷辊列夹持辊发生的间断式接触传热,其表面温度存在一定程度的上下波动. 基于J55微合金钢,考虑温度波动的影响,研究了钢在不同热状态下的热塑性. 结果表明,高于850℃时温度波动制度下测得的断面收缩率低于常规恒温制度下的测量值,而等于或低于850℃时情况相反. 分析了两种不同温度制度下测试结果的差异,认为对于微合金钢,存在着略高于所测钢种Ae3温度的某一分界温度,高于该温度时恒温制度下测得的塑性值相比波动制度下塑性值偏高,而低于该温度时则偏低. 这一认识有助于更加合理地制定实际连铸过程的矫直温度.     

C/C-SiC复合材料的表面烧蚀模型及数值模拟

基于炭基和硅基防热复合材料的烧蚀机理对C/C-SiC防热复合材料进行烧蚀分析.依据相变原理,在热传导方程和能量平衡原理的基础上,建立了一维非稳态烧蚀数值模型,模拟了C/C-SiC防热复合材料的烧蚀过程,分析结果与实验数据吻合良好.同时通过数值对比看出,在同等的烧蚀环境中,C/C复合材料的烧蚀速率最快,材料内部温度最低;...     

高速列车设备舱底板的辐射传热特性

针对设备舱底板传热问题建立计算模型,分析不同风速、不同底板初始温度和不同辐射热吸收率对底板温升及热辐射占比的影响,并通过试验研究常规防辐射涂层对底板温升的影响。研究结果表明:设备舱底板温度上升的主要传热方式为对流换热,而非辐射换热;在强迫对流条件下,即相对速度为5 m/s,底板材料辐射热吸收率为0.1时,其温度上升初期辐射热占比小于20%;在自然对流条件下,且底板材料辐射热吸收率为0.1时,其温度上升初期辐射热占比小于35%;实际设备舱底板材料辐射热吸收率低于通常防辐射涂料吸收率,建议不增加额外的防辐射热措施。     

Bridgman 法铸铁定向凝固一维传热特性的测试分析

作者测试了铸铁定向凝固实验中试样移动时液—固界面位置的变化和稳态凝固段液相中的轴向温度分布，并用试样轴向一维传热解析解对实验结果进行了分析，证实了该传热模型的有效性。