非傅立叶模型层状复合陶瓷结构热传导分析

用非傅立叶热传导模型分析层状复合陶瓷结构的温度场,并与单热涂层结构的结果进行比较,同时进一步研究了夹层热物理性能参数对温度场的影响。研究表明：夹层可以有效地减缓内部结构的温度变化,夹层热物理性能参数（如：松弛时间、声速）对结构层的温度场有明显影响。     

Mechanical Study of Nano-ceramic Thermal Barrier Coatings by the Equation of Phonon Radiative Transfer

基于辐射模型的微、纳米尺度陶瓷热涂层的热力学性能分析

张士元¹,郑百林²,贺鹏飞²

（1 福建工程学院 土木工程系,福建福州,350007;2 同济大学 航空航天与力学学院,上海,200092）

摘要：温度场、热应力（特别是剥离力）和J积分对于热冲击下的热涂层具有重要作用,在微、纳米尺度上,能量传输机制与宏观尺度上有显著的不同。对于热冲击条件下微、纳米尺度陶瓷热涂层结构,采用声子辐射输运方程(EPRT)（用于纳米尺度陶瓷涂层）和傅里叶热传导定理（用于基底）相结合求得温度场,继而得到热应力和J积分。将这些结果与涂层和基底都采用傅里叶热传导定理计算的结果进行比较,同时分析了热物理特性（如弛豫时间和声子速度）对这些结果的影响。结果表明,用EPRT计算的温度、热应力和J积分,低于采用傅里叶热传导定理计算的结果。此外,TBCs的热物理性质对温度场和热应力的影响在TBCs表面和内部不同。

关键词:微纳尺度陶瓷热涂层,纯声子辐射模型,热应力,J积分

     

厚板柱坡口多层焊瞬时温度场的有限元计算

焊接弹塑性热应力计算的基础是瞬时温度场的确定。本文作为厚板焊接柱残余应力有限元分析的一部分,考虑了钢材的热物理性能随温度的变化,对厚板柱坡口多层焊接过程进行了非线性热传导计算。在计算程序中以集中质量热容矩阵代替协调质量热容矩阵,克服了瞬时温度场有限元计算中的温度波动现象,取得了满意的计算结果。结合弹塑性热应力分析,计算了5个厚板焊接箱形、4个厚板焊接工字形截面往焊接过程中的瞬时温度分布。     

纳米尺度材料有效导热率的界面效应

为了研究界面效应对纳米尺度材料内声子热输运的影响,利用格子波尔兹曼法模拟二维矩形结构二氧化硅纳米材料内声子热输运,模拟过程考虑了边界面散射对声子平均自由程的影响.结果表明,相对镜反射的情况,漫反射界面明显降低了纳米尺度材料的导热率,边界面存在界面效应;随着镜反射因子的减小,材料的有效导热率降低;提高纳米尺度固体材料界面的粗糙度,界面热阻增强,有助于降低导热率.     

固体中亚表面缺陷的非傅里叶热波散射问题

基于非Fourier热传导波动型方程,采用镜像方法和波函数展开法,研究了固体介质中亚表面圆柱缺陷的热波多重散射问题．首次基于热传导波动模型给出了热波散射问题的一般解．温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热．具体分析了结枸几何参数和物理参数时温度分布的影响,并给出了温度变化的数值结果．本研究结果可为红外测试技术、热波成像技术等提供理论基础和参考数据．     

超快激光加热薄膜的格子玻尔兹曼模拟

超快激光加热技术已广泛用于微/纳米器件中,传统的傅立叶导热定律不能有效地描述超快速和超小尺寸的传热问题,因此研究超快激光加热纳米尺度薄膜的传热过程,对微/纳米器件中散热器制造具有重要的理论意义。文章采用格子玻尔兹曼方法(LBM)数值模拟激光加热薄膜的热传导过程,并与傅立叶定律获得的结果进行比较分析。结果表明:在系统特征尺度和分子平均自由程相当的过渡区,LBM结果中当薄膜受到激光扰动后其内部的热量传递会出现波状行为,但傅立叶定律的结果却无法展示这一现象;利用LBM数值模拟激光加热硅薄膜的一维导热问题,发现克努森数对薄膜内无量纲能量密度的分布具有重要的影响;当利用超快激光对加热硅薄膜的2个表面同时加热时,会产生2组沿相反方向传播的热波,当其交汇时,彼此的碰撞会引发能量的显著提升。     

周期震荡温度场非傅立叶分析

从双曲线型热传导微分方程出发,研究了当边界条件为高频周期加热的第一类边界条件时,其温度场的分布情况,并与从抛物8线型导热微分方程出发的热扩散情况下的温度场进行了对比。结果表明,在瞬态导热过程中,温度场是一种与扩散机制完全不同的热波,本文还对热波及其产生的条件进行了深入的分析,指出松驰时间的大小和外界热扰动的数量级大小以及材料的热尺度等是决定是否应该考虑非傅立叶效应的主要因素。     

变温相似材料在地质力学模型试验中附加温度场的影响程度评价

应用ANSYS非线性结构分析原理和热分析及热—结构耦合分析原理，根据变温相似材料的力学参数及热物理参数进行结构分析和热—结构耦合分析，计算由于热膨胀或收缩引起的热应力，同时对热—结构耦合分析的成果与非线性结构分析的结果进行对比，得到了由于温度变化而在模型内部产生的附加温度场对试验成果中位移的影响程度约为6％，应力的影响程度约为-6％～9％，从而证明了试验结果的可靠性。     

基于热弹耦合的涡轮转子瞬态热冲击研究

涡轮转子在瞬态热冲击下的热应力是最重要的参数之一,它直接影响着转子的疲劳寿命以及运行的安全性。基于热弹耦合理论推导和有限元数值仿真,针对涡轮转子的两种典型结构开展了瞬态热冲击下的热分析,研究了瞬态应力场、温度场的分布特性及其随转子结构参数的变化规律。同时,针对涡轮转子在实际工作过程中常遇到的非对称热冲击现象,进行了转子在周向非对称热冲击载荷分布下的热分析,研究结果表明涡轮转子瞬态热应力大于稳态热应力,且受到倒圆半径、轮盘厚度和盘轴比的影响,研究结果对发动机转子设计初期的热疲劳寿命评估有借鉴意义。     

采用GMM方法分析聚集粒子的辐射特性

采用广义多粒子M ie理论(GMM)研究了由球形微粒组成的聚集粒子的衰减因子、散射因子、散射相函数等辐射特性参数,考虑单元粒子之间的相互作用,与M ie理论计算的辐射特性参数(不考虑单元粒子之间的相互作用)进行分析比较.结果表明:考虑相互作用与不考虑相互作用所得的聚集粒子辐射特性存在着差异,这种差异随着粒子间的距离、尺度参数的变化而改变,并且具有一定的规律.同时,分析了聚集粒子与等效(等体积或等面积)单粒子之间的辐射特性差异对辐射传输计算的影响,研究发现:考虑相互作用的聚集粒子组成的粒子系与等效球粒子系的温度场之间有明显的差异,相对偏差的最大值约20%,因此,在计算聚集粒子组成的粒子系的温度场时不能忽略粒子间的相互作用.     

多脉冲激光辐照增透膜产生热应力的数值模拟

研究并建立了多脉冲激光辐照Al2O3增透薄膜及K9玻璃基底的物理模型,采用有限元算法求解相应的热传导方程和热应力方程,得到了材料内部热应力场分布。数值模拟结果表明,材料内部环向力起主导作用,且温度冷却时,残余环向热应力沿径向移动,在低频情况下,先发生热应力损伤的是基底,后发生热应力损伤的是薄膜。研究成果可为激光与薄膜相互作用机理以及薄膜的抗激光损伤提供一定的理论依据和指导。     

空心激光辐照薄膜产生温度场与应力场的数值模拟与分析

为了考察空心激光辐照下膜层的温度场及应力场的分布特征,基于传热学及弹性力学理论,建立空心激光与膜层相互作用的热应力模型。利用有限元数值分析方法求解物理模型,通过对数值结果的分析,可以得出随着激光能量的增强,温升增大,其应力也随之变大的特征及变化规律。其结果可为激光与光学薄膜相互作用提供一定的理论依据。     

平板气膜冷却热固耦合特性的分析

为分析气膜冷却方法的综合冷却效果和可靠性,采用热弹耦合的计算方法对带气膜孔平板的冷却过程进行数值模拟,获得平板内部温度和热应力的分布特征,比较不同吹风比和不同气膜孔型对冷却效果的影响。结果表明:内部冷却和金属导热使固体内部温度分布较为均匀,热应力集中在气膜孔的前缘和尾缘。与传统圆孔相比,扇形孔和双射流孔能够显著提高冷却效率并降低热应力。该结果可为燃气涡轮叶片的冷却设计提供参考。     

Non-Fourier heat conduction in a thin gold film heated by an ultra-fast-laser

Based on the dual-phase-lagging(DPL)heat conduction model,the Cattaneo-Vernotte(CV)model and the improved CV model we investigate the one-dimensional heat conduction in gold films with nano-scale thickness exposed to an ultra-fast laser heating.The influence of system parameters on the temperature field is explored.We find that for all the non-Fourier heat conduction models considered in this work,a larger Knudsen number normally leads to a higher temperature.For the DPL model,the large ratio of the phase lag of temperature gradient to the phase lag of heat flux reduces the maximum temperature and shortens the time for the system to reach its steady state.The CV model and the improved CV model lead to the similar thermal wave behavior of the temperature field,but the thermal wave speeds for these two models are different,especially for large Knudsen numbers.When the phase lag of temperature gradient is smaller,the difference between the DPL model and the improved CV model is not significant,but for the large phase lag of temperature gradient the difference becomes quite significant,especially for the large Knudsen number.In addition,the effect of the surface accommodation coefficient,which is a parameter in the slip boundary condition,on the temperature field of the gold film heated by ultra-fast laser pulses is investigated based on the DPL model.     

含缺陷半无限条形体中热波多重散射与温度分布

基于双曲型热传导方程,采用复变函数方法,对含圆柱缺陷半无限条形体中的热波散射进行了研究.给出了热波散射问题的一般解.温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热,板条上下表面的边界条件是等于环境温度.分析计算了几何参量和物理参量对测试表面温度分布的影响,特别是热波波长对温度变化的影响,并给出了非透明体表面温度变化数值结果.研究成果为红外热波成像、物理反问题、内部缺陷评估等问题中的分析研究提供了理论基础和参考数据.     

非平衡分子动力学模拟晶体薄膜热导率

利用非平衡分子动力学(NEMD)模拟方法计算了氩晶体薄膜的热导率.当薄膜厚度达到微纳米量级时,热传导过程产生非Fourier效应,计算热导率的Fourier公式已不再适用,故采用松弛时间近似的Catta-neo方程求解热导率.计算结果表明,当薄膜尺寸达到微纳米量级时,热导率是温度的非线性函数.     

金属蜂窝夹芯板辐射导热耦合问题

针对金属蜂窝夹芯板,研究了其在气动加热条件下的非稳态传热行为.基于高温传热学原理,通过传热机制分析,建立了蜂窝夹芯板的导热-辐射一维瞬态耦合传热数学物理模型.在此基础上,采用控制容积法,结合蒙特卡罗法,发展形成了求解该类辐射导热耦合传热问题的数值方法,并给出了蜂窝夹芯板当量热导率和典型边界条件下金属蜂窝夹芯板瞬态温度场、非加热面热响应的计算方法,进行了典型算例计算和实验验证.结果表明,所建立的数值计算模型在预报蜂窝结构热响应方面是有效的,而且较之Swann-Pittman半经验关系式,提高了计算精度.