温控射频消融温度场分布的模拟与预测

为实现射频消融参数的术前规划,对温控射频消融温度场进行实验研究.首先根据射频消融针结构建立恒温激励射频消融有限元模型,然后利用ANSYS有限元分析软件模拟计算射频消融温度场分布.通过离体猪肝和体模实验,验证和改进所建有限元模型,提高计算温度场分布的准确性.实验结果表明:所建立的恒温激励有限元模型能较好预测射频消融温度场分布.     

激光辐照生物组织双相位滞后模型的温度分析

针对激光照射下生物组织内的非傅里叶导热现象,采用双相位滞后生物传热模型(DPL模型)进行分析,并与Pennes模型、热波模型的研究结论进行比较。当τq和τT都非常小的时候,DPL模型的结果接近于传统的傅里叶热传导方程;当τq增加的时候,它趋于引起更多的热波效果。对于DPL模型,τq和τT取不同的数值,模型中的非傅里叶导热表现为不同的形式。此研究结果对医学中的激光临床问题具有一定的理论指导作用。     

基于方差分析的2450MHz微波消融温度场仿真模型参数研究

为了提供2 450 MHz微波消融温度场模型在不同时间和不同位置的显著性影响因素,基于电磁方程和生物传热方程建立微波有限元模型,利用方差分析技术获得密度(ρ)、比热容(c)、对流交换系数(h)、电导率(σ)、导热率(K)和相对介电常数(ε)等模型参数对于温度变化的方差贡献率(SS)和主效应.研究表明,微波天线冷却水对于中心点温度具有一定影响,方差贡献率约为0.09,但对于近场点和远场点温度的影响几乎为零.在水冷侧近场区域中,消融前期c和σ对温度场的影响显著,K几乎无影响,消融后期K和σ的影响越来越高;在无水冷侧近场区域中,电特性参数对温度的影响随时间而增加,而c的影响逐步降低,K的影响一直较小;在远场区域中,消融区温度为各模型参数共同作用的结果,各参数敏感性差异不大;根据主效应分析,仿真温度与参数σ成正相关,与c、ρ、h呈负相关,而仿真温度与k和ε的相关性随时间和位置而有所不同.因此,基于方差分析的参数研究可为仿真模型的特异性分析提供科学可靠的参考依据,尤其是在近场区域,模型参数对于不同时间的仿真温度具有特异性影响.根据水冷侧近场区域中的分析结果对参数进行反馈调节,可获得与实测数据具有良好一致性的温度场仿真结果.     

肾交感神经射频消融术的离体实验研究

为了探究肾交感神经射频消融术在不同消融参数下温度场变化情况,采用3D打印技术打印血管并制备生物体模模拟肾动脉,应用质量分数为0.9%的盐溶液模拟血液流动,构建开环式血液循环系统,执行射频消融术.同时采集消融点上方垂直距离为0～8 mm处及血管液体中心处的温度,研究射频消融对血管壁外围组织和血液的影响.液体流速由0.2 m/s上升至0.4 m/s时,血管外围组织与消融点不同距离下的ΔT均呈下降趋势;射频加热时间由2 min增加至4 min时,血管壁外围组织和液体中心的ΔT值均增加,液体中心的最大ΔT值仅0.29℃;位于外围组织的测温点与消融点垂直距离为0、4和8 mm时平均温升值分别为3.90、5.13、0.59℃;温控温度从65℃变化至75℃时,血管外围组织最高ΔT值为6.67℃,液体中心最高ΔT值为2.76℃.射频消融时,液体的快速流动能够带走部分热量,可以起到一定程度的冷却作用,避免组织和血液热损伤;液体流速在0.2 m/s时,组织的温升值最高为2.67℃,液体流速接近层流速度阈值0.4 m/s时组织的温升最高为1.00℃;相比对照组流速为0时组织最高温升5.02℃而言,冷却作用均较为明显;消融时间从2 min增加到4 min对组织和血液的热量累积均具有一定的叠加效应.但是,对于组织,距离射频电极8 mm测温点处的叠加效应比较微弱,达不到治疗温度,对组织影响较小;血管壁外围组织因远离管内血液而热量散失较慢,位于外围组织的测温点与消融点垂直距离为4 mm时升温6.67℃,可实现位于血管外膜4 mm内交感神经纤维的损毁;时间在4 min内和温控温度小于75℃时,液体最大温升不超过2.76℃,可见对血液温升影响较小.本研究基本验证了血管内执行去肾交感神经术的有效性.     

基于SAR单针反馈的2450 MHz微波消融温度场仿真研究

比吸收率(SAR)的精确表征对于恒功率微波消融的温度场仿真至关重要.提出了2 450 MHz微波消融中SAR的单针反馈方法以及基于SAR反馈形式的温度场仿真技术.在具体实施中,首先利用离体猪肝实验获得SAR的空间分布函数,然后通过单针实测结果获得SAR随温度变化的精确表征形式,最后基于此SAR形式进行温度场仿真以验证温度预测精度.实验对比结果表明,仿真结果与实测温度具有较高的一致性,验证点的最大温度差的平均值约为2. 805℃,平均温度差的平均值约为1. 551℃,标准偏差的平均值约为1. 121℃.因此基于SAR反馈形式的温度场仿真能有效地预测微波热消融中的温度分布,从而为临床热消融手术提供可靠的科学依据.     

肿瘤微波热疗三维温度场热域控制及红外热成像

研究了肿瘤热疗过程中正弦调制信号控制微波辐照时的均匀仿真模型内部三维温度场分布以及热域体积.为使肿瘤区域内产生有效的热效应,提出正弦信号调制微波输出,对三维分层仿真模型中各层的温度进行红外热成像分析,然后对三维温度场进行光线投射重建,测量三维有效热域的相对体积,分析讨论正弦调制微波功率和周期对生物组织加热区域内温度分布与三维热域相对体积的影响.结果表明,正弦调制信号控制微波加热可有效控制生物组织内部的温度分布;采用提高正弦调制微波功率、在一定范围内改变调制微波的周期的方式来提高生物组织加热区域内的热效应和热域体积,可为肿瘤微波热疗三维温度场热域控制、观察与测量提供初步依据。     

宽厚板坯连铸结晶器铜板的热流密度分布与热分析

基于热电偶对邯钢宽厚板坯连铸结晶器铜板的温度实测,构建其有限元传热模型与非线性估算热流密度模型。采取模型反算的结果获得铜板的热流密度,并且与热平衡方法计算出的平均热流密度做对比,论证模型的有效性,确定铜板宽、窄面的热流密度公式,同时对铜板进行温度分布分析。铜板热面、冷面的温度曲线均呈波浪状分布,热面的温度变化较为平缓,冷面有最大29.4℃的温差。铜板的温度随至弯月面的距离的增大而减小,但在结晶器出口区域出现23℃的回温。     

亚低温治疗中颅脑径向温度的数值模拟

近年来亚低温逐步应用于临床脑保护治疗。采用Pennes血液对流项处理方法,建立颅脑传热的一维球坐标模型,模拟正常状态下人脑温度分布和实施亚低温冷却治疗后的脑温变化。分析了模型中不同的物性参数对颅脑温度分布的影响,据此提出了有效降低脑温的方法。     

基于近场动力学理论的功能梯度材料瞬态热响应研究

基于近场动力学(peridynamics,简称PD)理论推导了功能梯度材料(functionally graded materials,简称FGMs)的热传导控制方程,给出FGM简化微热导率模型与PD热传导方程离散过程及数值计算格式。编写了PD热传导数值计算FORTRAN程序,并与有限元解及解析解对比验证了程序正确性。计算了以钛合金表面涂覆氧化锆的FGM矩形板温度分布,研究了组分分布形状、孔隙率以及边界温度对FGM瞬态热响应的影响。结果表明:组分形状分布系数增大,使得陶瓷材料占比提高导致FGMs隔热性能增加;孔隙率对温度分布的影响随传热时间的增加而增加,导致FGMs隔热性能降低;温度荷载的升高只会影响FGM陶瓷区一定厚度内的温度响应,该温度分布厚度随传热时间的增加而增大。     

基于超声背向散射积分的微波热疗无损测温

旨在探索一种基于超声背向散射积分的微波热疗无损测温方法,利用水浴加热实验系统,以新鲜离体猪肝组织为研究对象,通过采集不同温度下的超声原始射频信号,分析各温度下组织的背向散射积分,建立背向散射积分与温度相关性模型用于微波加热实验过程中温度的检测.所建相关性模型为:超声背向散射积分值为0.062×t+3.591;该模型在低温段(≤70℃)测温误差较小(<5℃),在高温段(>70℃)测温误差较大(>10℃).研究结果表明:超声背向散射积分可用于常规热疗无损测温;微波热疗温度分布不均使得检测较为困难;利用正常与热凝固组织背向散射积分的差异进行热凝固区检测具有一定优势.     

基于分布式光纤测温的施工期混凝土坝温度场神经网络重构

施工期混凝土坝的温度场是复杂的不稳定温度场,显式温度统计模型有时难以合理反映不同温控因素和混凝土坝温度之间的非线性关系.首先从施工期温度影响各因素的理论解析解入手,挖掘并选取施工期混凝土坝温度场的影响因子,以挖掘出的温度影响因子作为输入矢量,实测温度为输出矢量,建立了施工期混凝土坝温度的神经网络隐式时空分布模型.结合西南某在建混凝土坝工程的分布式光纤测温资料,分别建立了显式温度时空分布模型以及神经网络隐式时空分布模型.分析表明,相对于显式温度时空分布模型,建立的神经网络隐式温度时空分布模型重构的温度场精度更高,可准确反映不同时刻施工期混凝土坝的温度状态.     

星形热W阴极温度分布的测量

首先介绍了作为测温元件的热电偶的测量原理,然后在相同长度、相同发夹角和不同加热电流的条件下,用Pt-30Rh/Pt-6Rh热电偶测量了针尖尾部长度不同的星形热钨阴极的温度分布,并研究了加热电流和针尖尾部长度对温度分布的影响.实验的结论对热阴极发射的研究和实际应用具有一定的实用价值.     

一种新的血流建模方法及其在红外人脸识别中的应用

为了从时延红外人脸图像中提取出更加稳定的血流特征,提出1种新的基于生物热传模型的人脸血流图建模方法,并应用于人脸识别。基于生物热传模型中经典的Pennes生物传热方程通过离散化建模,得到对应的血流图。然后,基于红外人脸图像低分辨率的特点,对得到的血流图采用经典主成分分析PCA(principal component analysis, PCA)+Fisher线性鉴别分析(Fisher linear discriminant analysis, FLD)的方法进行人脸识别。实验结果表明:本研究提出的血流计算方法充分考虑到血流之间的关联性,可以得到更加稳定的血流特征, 用于人脸识别,在不同环境温度的情况下(对于时延数据)具有较强的鲁棒性。     

多场耦合下微波碳热氯化回收铟的动态仿真

以实验室微波反应器为研究对象,基于有限元软件COMSOL Multiphysics,采用多场耦合方法对微波强化碳热氯化回收In Cl3的反应过程进行了动态仿真,并分析了其影响因素。结合微波加热过程、计算流体力学和物质传输过程,建立了由射频、传热、传质和流场4个物理场耦合的数学物理模型。通过考察腔室内的电场强度,得到微波加热过程的热源项与样品体的温度分布。结果表明,本研究模型能够准确描述微波输入功率、HCl通入浓度等多因素对铟化物回收过程的影响,为微波碳热氯化提铟过程的分析提供新的方法与依据。     

活塞-缸套瞬态耦合传热的有限元仿真

采用耦合传热方法解决在传热数值仿真中对单个零件单独确定边界条件的困难．基于耦合传热理论和有限元方法，将零件间的外边界条件转变为零件的内边界条件，直接对零件进行耦合仿真计算．传热初始条件和边界条件分别由工作过程模拟程序和经验公式计算得到．以柴油机活塞-缸套为对象，采用耦合传热方法对其整体温度分布以及温度随循环时间的变化规律进行了仿真计算，并与实测数据进行了比较．结果表明，采用耦合传热方法模拟活塞-缸套间的传热可以大大简化边界条件，同时使传热过程的模拟更加符合实际工作状态．     

活塞-缸套瞬态耦合传热的有限元仿

采用耦合传热方法解决在传热数值仿真中对单个零件单独确定边界条件的困难.基于耦合传热理论和有限元方法，将零件间的外边界条件转变为零件的内边界条件，直接对零件进行耦合仿真计算.传热初始条件和边界条件分别由工作过程模拟程序和经验公式计算得到.以柴油机活塞-缸套为对象，采用耦合传热方法对其整体温度分布以及温度随循环时间的变化规律进行了仿真计算，并与实测数据进行了比较.结果表明，采用耦合传热方法模拟活塞-缸套间的传热可以大大简化边界条件，同时使传热过程的模拟更加符合实际工作状态.     

钢箱梁桥沥青混凝土铺装层温度场的模拟分析

目的推导了一种桥面铺装层温度场的计算方法，较准确地预测出桥面温度分布。解决实测费用耗费问题．方法根据傅里叶传热定律建立桥面铺装结构体系温度场的二维计算模型，根据当地的地理纬度及气候条件确定边界条件及初始条件，采用ANSYS有限元进行求解．结果通过计算结果和实测结果的对比发现。采用该方法计算误差较小，满足工程上的需要，计算结果是可靠的．结论在正确掌握气候条件及材料的热物性参数条件下，采用该方法，可以对钢箱梁沥青混凝土桥面铺装温度场进行较准确预测，该计算方法可行，可节约一定的实地观测费用。具有一定的经济价值和社会意义．     

矿热炉内镍铁还原过程电流密度分布与温度场的有限元分析

矿热电炉埋弧还原焙烧渣过程是利用"回转窑焙烧—电炉熔炼法"(RKEF法)冶炼镍铁合金工艺中的关键环节.本文建立了矿热炉熔炼镍铁过程中三维多物理场的数学模型,模型中采用Maxwell方程、Joule定律结合能量方程,对矿热炉内料层、渣层和产品层的一体化系统进行电磁行为和传热过程有限元分析.由于料层中电极下方坩埚区对熔炼过程有重要影响,在炉体建模时,建立比圆柱形更复杂的碗型坩埚区模型,采用结构化网格,使计算结果更接近生产实际.本研究着重分析了炉内电流密度分布规律,并且考查了电极直径、极心圆直径和炉膛高度对温度场分布的影响.结果表明:流经电弧时电流密度较高,成发散状,进入渣层后电流密度减小并重新分布;渣层和料层的交界区域为主要的产热区域;高温区集中在电极底端与坩埚区,料层内温度梯度大;渣内温度呈分层分布,纵向温度梯度大于径向温度梯度;镍铁层温度分布较为均匀;减小电极直径可以使炉内温度升高,但制约电极直径无限减小的因素是电极承载电流能力;减小炉体高度可以使炉内温度升高,但炉体高度也要受产量因素制约.     

汽雾冷却条件下转炉炉体瞬态温度场

通过有限元方法,对汽雾冷却条件下大型转炉炉体瞬态温度场进行了三维有限元仿真分析及宝钢300 t大型转炉热电偶数据实测,研究了该条件下炉体瞬态温度场的分布及变化规律.实测的炉壳温度及其变化规律与有限元仿真结果吻合较好,证实了炉体瞬态温度场有限元分析的可信性.研究结果表明,汽雾冷却条件下炉壳温度呈锯齿形波动(降温速度快,升温较慢),平均降温速度为2～2.5℃/min.运用汽雾冷却技术,可将炉壳温度控制在材料热蠕变温度(约400℃)以下,有效抑制了炉壳热蠕变变形.     

薄膜声体波谐振器的电磁场建模与仿真

为了模拟薄膜声体波谐振器（FBAR）的电磁场(EM)分布特性，提出了一种新的FBAR建模方法.该方法从基本的一维弹性压电方程和三维麦克斯韦尔方程出发，结合电极与压电薄膜交界处机械应力与机械位移连续的边界条件，推导出了FBAR等效复介电常数的严格解.将电磁场和声场等效到一个复介电常数中，用等效复介电常数的形式来包含电声效应.并基于有限元方法对FBAR全波段进行了仿真.结果表明，该方法的仿真结果与实测数据基本一致，具有很好的准确性.与传统的电路模型比较，由该方法得到的模型能够实现场的不连续仿真和FBAR的电磁场分布与压电效应的实时仿真.