对流换热边界下梯度功能材料板瞬态热传导有限元分析

用有限元法与有限差分法相结合的方法，对处在对流换热边界条件下的梯度功能材料板的瞬态热传导问题进行了分析，并且通过对ZrO2和Ti－6Al-4V组成的梯度功能材料板对本方法的正确性进行了检验，最后给出了对流换热边界下的瞬态温度场分布。数值计算结果表明：材料组成的分布形状系数M、环境介质温度和对流换热系数的变化对梯度功能材料板的瞬态温度场分布有明显的影响。本文结果为梯度功能材料的优化设计和进一步的热应力分析提供了理论计算依据。     

对流换热边界下变物性梯度功能材料板瞬态温度场有限元分析

用有限元法和有限差分法相结合的方法,分析了由 ZrO₂和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板在对流换热边界条件下的非线性瞬态热传导问题,检验了方法的正确性,给出了对流换热边界下的瞬态温度场分布,并与不考虑变物性时的结果进行了比较。结果表明:在精确计算瞬态温度场分布时,变物性是影响梯度功能材料板瞬态温度场的最重要因素之一。此外,材料组分的分布形状系数、环境介质温度和对流换热系数的变化对变物性梯度功能材料板的瞬态温度场分布均有明显的影响。此结果为材料设计和进一步的热应力分析提供了准确的计算依据。     

换热边界下梯度功能材料板瞬态热应力研究

用有限元和辛普生法,研究了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的梯度功能材料板的瞬态热应力问题,检验了方法的正确性,给出了对流换热边界下的瞬态热应力场分布.结果表明:材料组分的分布形状系数M、对流换热系数和环境介质温度的变化对该材料板的瞬态热应力场分布均有明显的影响;在本研究相同条件下,该材料无限自由长板在金属和陶瓷附近板内为压应力,而在板中部为拉应力.此结果为该材料的设计制备提供了准确的理论计算依据.     

不同变形状态下变物性梯度功能材料板瞬态热应力

用非线性有限元法分析了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板的对流换热瞬态热应力问题,与已有文献比较检验了方法的正确性,给出了该材料板在不同变形状态下的瞬态热应力分布,并与常物性时的结果进行了比较。结果表明:无限自由长板内的热应力最小;当无限长板只能伸长、不能弯曲时,板内瞬态拉应力最大;当无限长板伸长、弯曲受限时,板内的瞬态压应力最大;考虑变物性时的最大拉应力比常物性减小48.9%,最大压应力减小39.6%;此外,对流换热系数的变化对不同变形状态下该变物性材料板瞬态热应力场的影响显著。此结果为该材料的设计和应用提供了准确的理论计算依据。     

换热边界下变物性梯度功能材料板稳态热应力

用非线性有限元法分析了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料无限自由长板在对流换热边界下的稳态热应力问题,检验了方法的正确性,给出了该材料板的稳态热应力场分布,并与不考虑变物性时的结果进行了比较.结果表明当M=1.0时,考虑变物性的最大拉应力比不考虑变物性减小70.5%,最大压应力减小62.5%;此外,材料组分的分布形状系数M、环境介质温度、对流换热系数和孔隙度P的变化对变物性梯度功能材料板的稳态热应力场分布均有明显的影响;在本研究相同条件下,当孔隙度系数A=3.99时,陶瓷侧拉应力最大.此结果为梯度功能材料的设计制备提供了准确的理论计算依据.     

梯度功能材料板瞬态温度场有限元分析

采用有限元法与有限差分法相结合的方法,对梯度功能材料板的瞬态温度场进行了分析,并且通过ＺｒＯ２和Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ组成的梯度功能材料对本方法的正确性进行了检验,最后给出了加热、冷却过程的瞬态温度场分布。     

功能梯度材料板的激光超声检测

建立了预测功能梯度材料板在激光激发下瞬态位移场的理论模型。将激光源等效成理想的瞬态力源,并将成份和结构沿厚度方向呈梯度变化的板看成是沿厚度方向的不均匀板,采用皮亚诺展开方法对其在激光激发下的频谱和位移进行数值求解。对一块直径32mm,厚6mm的波阻抗梯度飞片进行了激光超声实验,观察到了其在激光激发下的位移波形。最后和有关的理论结果进行比较,说明了理论模型和数值计算方法的可行性。进一步的研究工作是建立求解反问题的理论模型,通过对实验数据进行处理,得到该试样材料参数的梯度分布。     

热流温度场下功能梯度板的热问题研究

功能梯度材料因其内部组分沿着空间位置连续变化,能有效缓解热应力集中等现象,在高超音速飞行器的热防护系统设计中具有良好的应用前景.以金属-陶瓷功能梯度板为研究对象,探讨在不同热环境下功能梯度板热传导、热变形和热应力的变化规律.首先,基于功能梯度材料的幂律分布模型,分析了线性温度场、正弦温度场、热流温度场和非线性温度场四种...     

电磁微锻机构热效应模拟与实验研究

为研究电磁微锻机构在工作过程中的温度分布情况以及提高其功率密度,首先,在现有电磁微锻机构的基础上,从能量角度对其热效应与输出功率的关系进行分析,明确了热效应会限制机构的最大输出功率。然后,利用COMSOL Multiphysics软件分别对风冷和水冷方式下电磁微锻机构的温度场进行CFD （computational fluid dynamics, 计算流体力学）仿真分析,确定了不同入口边界条件下的等效对流换热系数;同时,根据等效对流换热系数与入口边界条件的关系,建立了该机构的瞬态温度分析模型。最后,搭建了电磁微锻机构温度测量实验平台,并对该机构的温升特性和稳态温度特性进行了实验研究。实验结果表明,所提出的电磁微锻机构热效应仿真分析方法较为合理、准确,可为微锻机构的温度控制和结构优化提供参考。     

Cryotop模型冷冻过程中对流换热系数的研究

Cryotop冷冻技术是目前卵母细胞玻璃化保存较为有效的方法,它以操作简单、获得的冷冻速率较高而得到广泛应用。近年来研究者们采用数值计算的方式对其传热性能进行研究,但计算中涉及的模型冷冻过程中的对流换热系数却没有有依据的取值范围。文章以三种载板厚度的Cryotop模型为研究对象,采用超快速测温装置对水滴冷冻过程进行温度测量,同时用模拟计算的方法得到不同对流换热系数下水滴冷冻过程的冷却速率,将两者进行比较,找出与实际测温所得结果相吻合的模拟实验中所需要的对流换热系数取值范围。结果表明:三种不同载板厚度的Cryotop模型在模拟计算中对流换热系数的取定范围为6000~8000 W/(m2.K)。     

多孔泡沫金属中指数规律变热流平板表面的层流对流传热分析

采用Brinkman-Forchheimer-extended Darcy流动模型和局部非热平衡传热模型(双温度模型),对指数规律变热流密度条件下的多孔泡沫金属中平板表面的层流对流传热进行了分析,并得出了平板表面的热边界层的厚度和局部的对流传热系数的表达式。结果发现:平板表面的热边界层的厚度发展沿流动方向逐渐增大,但是增大的趋势由迅速趋向平缓;局部对流传热系数沿流动方向逐渐减小,而后趋于稳定。最后推导出了局部的对流传热Nusselt数的准则方程。     

物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应

根据回转窑内物料颗粒的运动特点，推导了颗粒团在贴壁运动过程中的非稳态导热系数及界面处的接触传热系数，进而得出了物料与封盖窑壁间的换热系数；结合已有研究成果，建立了回转窑的传热数学模型。计算表明，未考虑物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应时，物料温度偏低；温度越高，强化效应对物料温度的影响越大；考虑物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应，有利于提高回转窑煅烧熟料的质量和热效率。     

不同压力下具有内热源的包装箱内传热特性

目的研究具有内热源的某产品包装箱在不同压力下的传热特性。方法搭建具有内热源的某产品包装箱传热特性实验系统,对不同压力下内部具有热源的某产品包装箱内的温度场进行测量,讨论产品各部件的传热特性,并基于计算结果,拟合各部件的传热关联式。结果常压状态下各测点温度较低压状态更易达到平衡,箱体内温度场的分布符合被加热物四周热边界层厚度分布规律。包装箱内对流传热能力随着压强的增大而增强,且箱内压强处于较小范围时,压强的增加对于箱内各部的冷却效果更加显著。结论正常工作的温度范围内,该产品包装箱内传热能力的强弱主要受对流传热影响,对流传热能力随着压强的增大而增强;得到了各部件壁面传热关联式,误差在5%以内。     

固定电弧脉冲TIG焊接熔池流体流动与传热模型

在浮力、电磁力和表面张力梯度共同作用下对固定电弧脉冲ＴＩＧ焊接熔池中的流体流动与传热的动态过程建立了数学模型。在控制方程组强烈耦合的情况下，将处理导热问题边界条件的附加源项法应用于处理动量边界条件，同时采用交替方向隐式迭代法及双块修正技术，使求解非稳态控制方程组的迭代收敛速度大为提高。计算结果展示了脉冲ＴＩＧ焊接过程中，随着焊接电流的周期性变化，熔池流场与热场的周期性变化规律以及熔池形成的动态发展过程。根据该模型得出的计算结果与试验测定结果吻合程度良好。     

Transient mixed convective heat transfer with melting effect from the vertical plate in a liquid saturated porous medium

This paper aims to numerically analyze the melting effect on transient mixed convective heat transfer from a vertical plate in a liquid saturated porous medium. The Darcy’s flow with the Boussinesq approximation and energy equations for this study is transformed into the non-dimensional equations by using pseudo-similarity coordinate (ζ) and dimensionless time (ξ). The resulting the boundary value problem is solved by the method of lines (MOLs) with central finite difference and Newton’s iteration to completely obtain the solutions for the whole transient mixed convective heat transfer from transient heat conduction to steady mixed convection in porous medium with melting effect in the presence of aiding and opposing external flows. As shown in the results, it is both found that the rate of dynamic heat transfer is reduced with increasing melting strength and the response time from transient heat conduction to steady mixed convection in porous medium for aiding external flow is shorter than that for opposing external flow in the presence of melting effect. Additionally, the melting effect may be reduced with increasing mixed convective strength Gr/Re^1/2 during transient mixed convective heat transfer in porous medium with aiding external flow.     

Numerical investigation of nanofluid heat transfer in helically coiled tubes using the four-equation model

Helical coils and nanofluids are among efficient methods for heat transfer augmentation. The present study numerically investigates convective heat transfer with nanofluids in helically coiled tubes. Two boundary conditions are applied to the coil walls; constant temperature and constant heat flux. Heat transfer in nanofluids are mainly investigated using either the homogeneous model or the two-phase model. However, in the present numerical solution, the four-equation model is applied, using slip mechanisms for the base fluid and nanoparticles. Considering that the proposed model is simplified compared to the two-phase model, it can be regarded as an efficient model for numerical solution of heat transfer in nanofluids. Governing equations are solved in the non-dimensional form using the projection algorithm of finite difference method. Water/CuO with a 0.2% volume fraction and water/Ag with a 0.03% volume fraction are examined for validation of numerical results in case of constant temperature and constant heat flux boundary conditions, respectively. The obtained results show a better agreement of this model with respect to experimental data, compared to the homogeneous model.     

Heat and mass transfer analysis in air-cooling of spherical food products

The one dimensional transient heat conduction equation, in spherical co-ordinates, is solved with convective surface boundary condition, during air-cooling. The enthalpy potential concept is used to include the cooling effect of desiccation. A calculation scheme is proposed in which, up to half the cooling time, the calculation is made with both heat and mass transfer from the product surface, thereafter it is continued with heat transfer only. The calculated temperatures for apples and potatoes are compared with the measured values available in the literature, and good agreement is observed.