微重力条件下开口矩形容器的小Pr热毛细对流

采用数值方法研究了微重力条件下开口矩形容器内小Prandtl数镓（Ga）熔体生长过程中定常热毛细对流,讨论了Re数、几何纵横比A和侧壁外加温差的相对高度H对熔体内温度场和流场分布的影响.计算结果表明,热毛细对流对熔体温度分布有明显的影响,从而影响着晶体生长过程.自由面两侧温度差很小（如0.1K）时,熔体内温度场将发生变化;当温度差增加即Re数增加时,热毛细对流加强,对流和扩散相互作用导致温度场分布更加不均匀.无论多小的H值,若自由面存在温差,都会驱动热毛细对流;随着H值增加,热毛细对流会扩展到整个熔区.几何纵横比A对熔体内温度场和流场也有影响,当A比较大时,在固/液界面附近扩散起主导作用.     

浮区中热和溶质的毛细对流

本文用数值模拟的方法研究了浮区中热毛细对流与溶质浓度毛细对流的耦合,分析了半导体晶体的浮区生长过程中杂质的影响.讨论了表面张力随浓度的增加而减少的典型情况.计算结果表明,在一定参数范围下,浓度Marangoni数对浮区中的流场和浓度场有明显的影响,对温度场的影响相对较小.     

YAG晶体等径生长过程中界面翻转与流体效应

本文讨论了提拉法氧化物晶体生长过程中固液界面的翻转与流体效应的关系。在自然对流时,Re不是一个独立的无量纲数.而是G的函数,与坩埚中熔体纵横比有关。计算了界面发生翻转与直径突变时晶体高度l:■对于坩埚中熔体的不同纵横比,计算界面翻转时的临界直径和晶体高度,与实验结果基本符合。     

基于边界对流传热的LD端面抽运圆柱形晶体的热效应

通过对激光二极管(LD)端面抽运棒状Nd:YAG晶体的热效应进行理论分析,考虑晶体内部抽运光束分布及连续抽运过程中晶体周边与冷却液之间的对流传热,建立了更为合理的边界条件,得出更符合实际的晶体温度分布场,同时计算了晶体半径以及晶体散热面积对热效应的影响.研究结果表明,考虑边界对流传热后,计算的晶体中心温度升高,晶体边界温度也相应升高,相应的晶体热焦距稍有增加;减小晶体半径,晶体中心与表面的温度差均减小,热焦距增大,晶体热效应降低;增大晶体散热面积虽然降低晶体内部温度场,但由于端面抽运的特点导致晶体中心附近温度变化率增加,反而使热焦距减小,加剧了晶体热效应.     

激光近净成形CBN磨具温度场仿真分析

为了探究激光近净成形CBN磨具实验时的温度场分布,用Simufac.Welding对其进行三维建模数值模拟。采用高斯面热源和圆柱体热源组合热源,综合考虑对流、热传导、相变潜热及热物性参数的影响,分析了不同工艺参数下温度场的分布规律,另外进行了实际测温,验证了温度场仿真的可靠性,最后根据剖面显微硬度值分析了激光近净成形加工的急热急冷特征。     

浮区中相变对流和毛细对流对分凝过程的影响

本文用“迎风有限元”法研究了在微重力条件下包含热毛细对流、相变对流及热和浓度扩散过程的浮区晶体生长过程,特别是半导体晶体生长的分凝效应。分析了不同典型参数条件下的流场、温度场、浓度场、熔化界面及固化界面形状,着重讨论了不同条件下的分凝过程。结果表明,相变对流对分凝有影响,它使固化界面处的杂质浓度增大。增大晶体的生长速度会使熔区变小,使固化界面变得平坦,使熔化界面变尖凸,使分凝程度增大。     

基于棱镜式激光陀螺的分温度段稳频控制技术

激光陀螺腔体材料的导热系数低,环境温度改变时,外界热量传入腔体内部过程中存在热弛豫。在陀螺温度循环实验中,热弛豫导致稳频控制系统参数偏离理想值,影响了陀螺精度。采用有限元分析法模拟-40℃→70℃实验过程中陀螺温度场分布情况。根据模拟结果,数学拟合腔体内、外层温度差与测试时间的函数关系。结合棱镜式激光陀螺稳频伺服系统的控制特征,计算出不同温度段下稳频系统的理想控制参数。利用数字电路技术实现了对棱镜式激光陀螺的分温度段、分参数稳频控制,实验证明陀螺精度有一定的提高。     

H13钢表面激光熔覆316L/H13+200％WC复合涂层温度场数值模拟

H13钢常充作热作模具材料,在高温高压等工作环境中极易产生磨损、开裂等失效的问题,激光熔覆是一种有效的再制造方法.然而,由于激光熔覆骤冷骤热的特点,使得成形过程温度梯度及冷却速率过大,常导致热应力过大而引起涂层开裂.对H13钢表面激光熔覆316L/H13+20％WC复合涂层温度场进行数值模拟,研究成形过程温度梯度、冷却...     

具有梯度孔隙率的多孔介质封闭方腔内的自然对流

为研究梯度孔隙分布多孔介质内自然对流流动和传热问题,建立了三种不同孔隙率分布的多孔介质模型,采用有限元方法进行了模拟计算。基于场协同理论分析了具有梯度孔隙率的多孔介质方腔内速度场与温度梯度的协同关系,探讨了不同方向孔隙率梯度分布对多孔介质腔体内温度场和速度场的影响。研究结果表明,梯度孔隙率的多孔结构低孔隙率区域通过导热强化传热,高孔隙率区域随着Ra数的增加,对流换热逐渐增强,平均Nu数增大很快,具有梯度孔隙率的多孔介质封闭方腔内的自然对流得到强化。     

功率型白光LED封装的热分析

应用有限元方法研究了一种典型的白光LED封装结构的温度场、光波电磁场及热应力场的分布规律,分析结果表明:对支架式封装的功率型LED系统,当达到热稳态平衡时,在芯片上的温度达到最高,环氧透镜顶部表面的温度最低,对1 W功率芯片,在自然冷却时最高点与最低点温度差为5.4℃,在强制风冷时最高点与最低点温度差为2.5℃.LED温度场分布对光波电磁场有影响,芯片温度越高其发光强度下降也越快;温度引起的热应力主要集中在芯片附近,芯片与基板之间的焊料处也存在较大的应力.     

Thermal Management of Biomaterials in a Rectangular Cavity Surrounded by a Phase Change Material

The shipping of live biological materials requires very close monitoring and perhaps active control of the temperature of the materials. This paper presents the results of a numerical study of 2-D transient natural convection inside a rectangular cavity. The cavity is intended to simulate a typical biological shipping container in which the biomaterials are encased in a chamber surrounded by a phase change material. The rectangular cavity is filled with air (Pr ap 0.69). Initially, the air is at uniform temperature and zero velocity. The top and side walls of the rectangular cavity are fixed at a low temperature and the bottom wall is coupled to the top wall of the heated solid block. For the lower solid block, the side and bottom wall are assumed adiabatic and filled with solid biomaterials. The biomaterial is subjected to a step heat input at time zero. A finite volume approach is used to solve the generic transport equations with the Boussinesq approximation. The flow inside the rectangular cavity is divided into three transient regimes: 1) initial transient stage; 2) quasi-steady stage; and 3) late quasi-steady stage. The results of the parametric study are included for shallow cavities, Ar = 0.5, Ar = 0.25, Ar = 0.125. The transient regimes and fluid flow structure were found to be functions of Rayleigh number, aspect ratio, Prandtl number, thermal capacity parameter (Q*), and nondimensional time (t*).     

电磁搅拌对激光熔池熔体流速及其凝固组织影响研究

为了研究电磁搅拌对TA15钛合金激光熔池的影响,构建了一种三相三极旋转式电磁搅拌器作用下微小熔池内部的磁流体力学数学模型。运用该模型计算了不同激励电流情况下磁场中心处的磁感应强度和熔池内熔体周向流速,分析了其对熔池温度分布和组织形成的影响。并采用试验手段对分析计算结果进行了验证。结果表明:电磁力驱使熔体作周向运动,且随着远离磁场中心,洛伦兹力越大,周向流速越大。随着激励电流的增大,磁感应强度增强,熔质周向流速增大。流速加剧能够降低熔池内温度及凝固界面处的温度梯度,有利于等轴晶的增多。试验证明施加磁场后熔池顶部组织出现等轴晶,且随着远离磁场中心,熔池顶部的等轴晶数量逐渐增多,与计算结果的分析趋势相吻合。     

垂直Bridgman法生长氟化钙晶体的数值分析

利用Fluent软件,模拟计算了垂直Bridgman法大尺寸氟化钙晶体生长的具体过程,研究了晶体生长过程中的热传递和熔体对流传热,分析了固相、液相和坩埚的热导率的差异对坩埚中心轴的轴向温度分布和轴向温度梯度以及界面处的径向温度分布和径向温度梯度的影响。分析结果表明:熔体对流传热的效果随晶体生长的不断进行逐渐减弱;固相、液相和坩埚的热导率的差异对坩埚中心轴的轴向温度分布和轴向温度梯度以及界面处的径向温度分布和径向温度梯度有重要影响;晶体的结晶速度和坩埚的下降速度存在不一致性。     

机械振动对直拉法Si单晶生长的影响

机械振动是直拉法单晶生长过程中不可避免的因素,影响单晶的正常生长.从生长机理方面看,传递到熔体的振动会引起熔体内对流的变化,对固-液界面的稳定性造成干扰,从而影响单晶的品质和无位错生长;从操作控制方面而言,熔体的振动会使引晶变得困难,也不利于等晶生长过程中的自动控制,造成了生产周期的相对延长,从而增加了生产成本.分析了实际生产过程中振动的来源及其对单晶生长的影响,并探讨了一些抑制振动的方法来消除这一影响.     

垂直Bridgman生长CdTe过程的数值模拟

采用 Galerkin有限元算法 ,计算了垂直 Bridgman生长 Cd Te过程中的温场分布、液体流动和固液界面的形状 ,分析了生长速率、温区分布等参数对固液界面的影响 .计算结果表明 ,较小的生长速率可以获得更为平坦的固液界面 ,适当增加结晶区域的温度梯度也是改善固液界面形状的一个有效方法 .同时 ,通过对生长系统中的热流分析 ,表明在生长过程的中间阶段 ,热量交换主要集中在梯度区附近 ,而坩埚两端与外部环境的热量交换较少     

利用装置环形永磁场的直拉炉（PMCZ）生长单晶硅和掺锗硅晶体

设计了一种永磁（钕铁硼）环形磁场装置代替常规电磁场用于直拉炉生长单晶硅和掺锗单晶硅（PMCZ法）．磁力线呈水平辐射状均匀分布．只要磁场强度足够强,即可有效地抑制熔体中热对流和晶体旋转产生的离心强迫对流,从而有效地抑制了固液界面处的温度波动,降低以至消除微观生长速率的起伏,造成了一种类似于空间微重力环境下生长晶体的条件．在这种条件下,杂质和掺杂剂的运动方式受扩散规律控制．利用这种装置生长了掺锗（Ge∶Si重量比为1.0%,5.0%和10.0%）和不掺锗的硅晶体,获得了氧浓度较低,掺杂剂径向分布均匀性好的较高质量的晶体．该装置磁场强度可方便地通过调节磁环之间相对位置及磁环相对固液界面位置进行调控,满足不同工艺条件对不同的场强的要求．     

Investigation of Artificial Forced Cooling in the Bridgman Crystal Growth of Cadmium Zinc Telluride

The effects of artificial forced cooling on the solid–liquid interface and on solute segregation were investigated by modeling the vertical Bridgman method for the single-crystal growth of CdZnTe, taking into consideration effects such as increasing the axial outward heat flux from the crucible bottom, the radial outward heat flux from the crucible wall, and the carbon film thickness on the crucible inner wall. Axial artificially forced cooling noticeably increases convection and the temperature gradient in the melt next to the solid–liquid interface, and substantially reduces interface concavity at the initial solidification stage. Interface concavity increases a little when the solidification proceeds further, however. Axial artificially forced cooling reduces radial solute segregation of the initial segment of the grown crystal and slightly increases the solute iso-concentration segment. Radial artificially forced cooling enhances melt convection substantially, affects solid–liquid interface concavity only slightly, and hardly affects solute segregation in the grown crystal. Doubling the carbon film thickness weakens convection of the melt in front of the interface, substantially increases interface concavity, and hardly affects solute segregation in the grown crystal.     

大口径主镜热边界层热控对成像质量影响分析

随着望远镜口径的增大,主镜热惯性增大,主镜温度相对于环境温度的滞后性引起反射面热边界层形成热湍流波动,严重影响望远镜成像质量。介绍了一种基于CFD仿真和光程差累积的计算方法评估主镜反射面热边界层的湍流波动对成像质量的影响。以3.0 m口径的主镜为例,仿真计算了自然对流下和强迫对流下不同温升的反射面热边界层分布,将热边界层的流场参数转化成折射率场分布,采用光程差累积法得到反射面热边界层的成像质量。结果可以定量地描述反射面热边界层对成像质量的影响;验证了现有天文观测要求主镜反射面与环境温差小于2 K的合理性;同时证明了主镜反射面热控措施使得强迫对流下的光程差比自然对流下的下降了一个数量级,显著提高了主镜视宁度,进一步表明反射面热控措施对改善成像质量具有重要意义。     

垂直Bridgman法生长碲锌镉晶体的数值模拟分析

利用FIDAP数值软件,详细地模拟分析了垂直Bridgman法生长碲锌镉晶体过程,讨论了碲锌镉材料潜热释放及熔体对流对安瓿边界的温场分布的影响,分析了5 K/cm、10 K/cm、15 K/cm三种不同温度梯度条件对固液界面的影响.结果表明:在所采用的模型计算条件下,潜热释放及熔体对流对安瓿边界的温场分布有很小的影响;在生长初期和末期,固液界面变化比较剧烈;随着温度梯度的加大,在生长中期,界面凹向固态区的趋势减小,界面凹向液态区的趋势加大.