基于透明导电膜的光学窗口加热除冰效率研究

为了提高圆形光学窗口表面透明导电膜加热除冰的效率,基于欧姆定律以及热传导效应的理论分析,建立了圆形光学窗口表面透明导电膜的加热除冰效率理论模型。通过数值模拟,计算了直径100 mm圆形光学窗口在-55℃环境中对10 mm厚冰层的加热除冰效率,并采用24 V直流电源加热的方式进行了试验验证。结果表明,理论计算的除冰时间与试验结果之间存在偏差,这主要是由于在除冰过程中,光学窗口表面产生的热能除了大部分用于除冰消耗以外,还有少部分通过热传导散热而被消耗,同时窗口表面一部分水被加热而吸收热量,从而导致能耗增加。基于试验结果和理论分析,进一步提出了提高加热除冰效率的措施。

偕老同穴海绵启发的仿生结构吸能特性研究

目的为得到质量更轻、吸能效果更好的结构,以自然界中偕老同穴海绵复杂硅质骨针结构为仿生原型,提出一种偕老同穴海绵仿生吸能结构。方法通过有限元仿真对偕老同穴仿生结构和4种对比结构进行准静态压缩仿真,并在此基础上分析不同构型参数对海绵仿生结构吸能性能的影响。结果结果表明,偕老同穴海绵仿生结构在压缩过程中呈现二次受力平台效应,使得其吸能效果优于传统结构,同时当斜肋板位置系数Rkl为0.3时仿生结构的吸能效果最佳。随着斜肋板厚度的增大,结构的比吸能线性增加。从压溃力效率来看,当斜肋板厚度是纵横筋板厚度的1.6倍时,结构的压溃力峰值基本等于平均压溃力,结构压溃力效率达到最优,结构的整体吸能性能效果达到最优。结论本文所提出偕老同穴海绵仿生结构为高刚轻质吸能结构设计提供了参考,在吸能防护领域具有一定的应用前景。

B掺杂对金刚石热导率的影响

金属基金刚石复合材料因其高导热率和低热膨胀系数而备受关注,掺B被广泛应用于改性金刚石表面。因此,有必要深入探究B掺杂对金刚石导热特性的影响。通过第一性原理计算,系统研究了金刚石掺杂B后的多项关键性质,包括电子特性、晶格振动、热力学性能、晶格热导率、声子群速度、声子自由程和声子寿命等。结果显示,当B掺杂浓度为12.5%(如无特别说明,均为原子分数)时,金刚石的热传输特性发生显著改变,最大晶格热导率降至452 W·m^(-1)·K^(-1)。其主要原因是引入B原子后,形成的C-B化合键为弱极性,导致金刚石的晶格振动不协调,晶格振动的简并现象消失,这意味着金刚石晶体的动力学稳定性被破坏。同时,掺杂B导致金刚石内部声子自由程由10^(4)nm降低为10^(2)nm,声子寿命由80 ps缩短为6 ps。本研究揭示了掺杂B原子对金刚石导热特性的影响机制,可为材料设计和应用提供有益的理论指导。

脉冲电流下对AL6061合金进行熔孔止裂与愈合的仿真研究

Al6061铝合金常应用于航空航天领域蒙皮制造,因其中等硬度与低强度的弱点,在承受复杂载荷时容易出现微裂纹,进而影响服役安全可靠性。脉冲电流是一种极速、非平衡的金属材料微小裂纹修复工艺,可以克服该材料不易焊接修复的短板。在既有的实验基础上建立单边预制裂纹缺口模型,采用有限元仿真手段,进行了热-电-力三场耦合数值模拟,计算不同参数下裂纹区域的电场、温度场和应力场分布。使用“生死单元”法模拟止裂熔孔的产生,并获得了不同几何、物理参数下止裂熔孔尺寸变化的规律。结果表明:焦耳热形成的止裂熔孔降低裂尖的集中应力,抑制裂纹扩展,裂纹区域高温区与基体常温区形成温度梯度相互约束产生巨大的热压应力促使裂纹宽度减小,进而直至愈合;初始熔孔尺寸与裂纹长度成正比、与板厚成反比,最佳尺寸直径为0.1 mm以内;电流值和电流加载时间均能控制熔孔生长,电流值一定时,当时间达到0.12 s形成的熔孔尺寸超出最佳止裂尺寸范围。研究成果为特定金属材料的裂纹止裂与愈合提供了机理参考和仿真方法。

分布盘型浸没燃烧蒸发器数值模拟研究

浸没燃烧蒸发技术是以高温烟气为热源与液体直接接触蒸发的换热技术,但现有研究中缺少浸没燃烧蒸发过程的热态模拟研究和蒸发器内分布盘倾角对蒸发效果的影响。基于欧拉法对分布盘型浸没燃烧蒸发器的结构参数进行热态数值模拟研究。通过气液两相流研究获得了蒸发器内部烟气分布,并探究了不同分布盘倾角对蒸发量和压力波动的影响。数值模拟结果显示,分布盘倾角影响烟气在液体中的分布效果,增加分布盘角度可以减小浸没管入口压力波动,从而提高燃烧器内背压稳定性,减小分布盘角度,增强气液间换热效果,从而提高蒸发效率。

复合纳米流体强化换热研究进展

随着科学技术的进步,电子器件、太阳能和机械加工等系统均趋向于高功率和微型化发展.然而,这些系统内部产生的热量也随之增加,导致系统过热甚至烧毁,因此,亟需发展高效热管理系统,以及时带走系统热量.近年来,多种新型热管理技术被广泛研究和应用,其中,复合纳米流体强化换热技术因具有效果显著、成本低廉和无额外能耗等优势而备受关注,成为研究和应用的热点之一.本文对复合纳米流体强化换热技术的研究进展进行全面综述.首先总结了近年来复合纳米流体制备的研究现状,然后分析了复合纳米流体的一般性能、传热性能及相关影响因素,着重讨论了复合纳米流体强化换热机制.此外,还介绍了复合纳米流体在微电子、太阳能装置及散热器等领域的应用.最后,讨论了复合纳米流体强化换热技术目前面临的挑战,并提出了未来的发展方向.

纳米流体电池热管理研究进展

随着非化石能源的开发利用,各行业电气化程度的提高以及储能技术的发展,各种电池的应用越来越广泛,同时电池向着高能量密度方向发展.在充放电过程中,电池组内能量密度的上升导致电池过热乃至爆炸,进而影响电池组的寿命和安全.因而,亟待开发高效的热管理系统,以及时带走电池内的热量.近年来,多种新型热管理系统被广泛研究和应用.其中,具有效果显著、成本低廉和无额外能耗等优势的纳米流体电池热管理系统备受关注.本文对纳米流体电池热管理系统的研究进展进行了系统综述,首先介绍了常见的电池种类及常用的热管理技术,随后阐述了纳米流体的分类和性质,并详细论述了纳米流体在锂离子电池、燃料电池和太阳能电池三类电池中的热管理理论、数值模拟、实验和应用研究现状.最后,本文系统讨论了当前该领域面临的挑战,并提出了未来的发展方向.

基于有限元仿真和光纤传感的隧道损伤监测

对苏州四号线支线红庄站至蠡墅站段地铁进行隧道结构开展静力场和动力场有限元仿真分析,并根据仿真结果和现场勘察结果,成功设计并布设了能够对隧道结构水平位移、裂缝、沉降、结构应力、结构表面应变、振动等信息进行实时监测的光纤传感网络,实现了对隧道结构健康状态的实时监测,然后利用光纤传感网络反过来验证有限元模型可靠性,从而得到更准确的有限元仿真模型。最后,结合两种技术,针对该地铁中三种主要断面建立了二维有限元模型,研究了三种断面在隧道结构有损伤基础和无损伤基础的两种情况下,受到地铁列车振动荷载影响产生的混凝土结构损伤分布规律,从而更好地为地铁安全运营提供技术保障。

含盐液滴运动传热传质特性及其影响因素

船舶在极地等气候寒冷恶劣的海上环境航行时,海水飞沫易导致其上层结构结冰,严重时对船舶航行及室外环境作业安全造成威胁。准确预测海水飞沫结冰,对确保极地区域安全作业具有重要意义。海水飞沫结冰和纯水飞溅结冰的主要区别在于盐度对结冰的影响,对于结冰问题,通常将海水飞沫简化为含盐的液态水滴(即含盐液滴,简称液滴)。数值模拟是研究含盐液滴结冰的重要手段,含盐液滴运动-传热传质过程是其结冰数值模拟的关键环节,决定了液滴撞击特性及与结冰相关的撞击液滴的物理量。本文在SHIPICE传热模型的基础上,提出了含盐液滴在运动过程中考虑质量损失及盐度变化的传热传质耦合模型;基于NNW-ICE平台,发展了拉格朗日框架下含盐液滴运动-传热传质耦合数值计算方法并开发了相应计算程序,实现了含盐液滴运动-传热传质过程的模拟;探究了含盐液滴运动-传热传质过程中的关键影响因素,系统分析了不同来流速度、温度、相对湿度和液滴粒径条件下的传热传质效应,为进一步发展含盐液滴结冰数值计算方法奠定了基础。

飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值及孵化效应研究

孵化效应在超快激光烧蚀和加工的过程中起着重要作用。文中通过实验研究了波长为1030 nm的飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值和孵化效应。在单脉冲作用时,YAG表面发生“温和”烧蚀,具有较小的烧蚀孔径和深度;多脉冲作用时,由于孵化作用的影响,烧蚀阈值随着脉冲数的增加而显著降低。分别采用三种孵化模型,对比研究了其对YAG晶体烧蚀阈值的拟合效果。通过实验和拟合,得到单脉冲作用下烧蚀阈值为F_(th,1)=(12.27±3.56)J/cm^(2);多脉冲作用下,饱和孵化阈值为F_(th,∞)=(1.82±0.37)J/cm^(2)。该研究为飞秒激光精密加工中的能量和脉冲数等参数的控制提供了参考。

金刚石基材料及其表面微通道制备技术在高效散热中的应用

随着第三代半导体材料的兴起,电子器件逐渐向着高功率、小型化、集成化方向发展。传统散热技术已难以满足第三代半导体器件高热流的散热要求,由此带来的温度堆积问题成为器件失效的主要原因。金刚石基材料具有优异的散热性能,基于此材料的高效散热技术有望解决高热流散热难题。总结了金刚石基材料的发展及其表面微通道制备的主要方法,综述了金刚石基材料在高效散热领域中的应用和未来的发展方向。金刚石基材料高效散热技术的发展及应用能够为高热流密度散热难题的解决提供技术支撑。

退火温度对Fe_(84.3)Si_(2)B_(8.5)P_(3.5)C_(1)Cu_(0.7)合金软磁及耐腐蚀性能的影响

针对合金软磁及耐腐蚀性能问题,研究了Fe_(84.3)Si_(2)B_(8.5)P_(3.5)C_(1)Cu_(0.7)合金经不同退火温度处理后的软磁及耐腐蚀性能。采用非自耗真空熔炼炉制备Fe_(84.3)Si_(2)B_(8.5)P_(3.5)C_(1)Cu_(0.7)母合金,用高速单辊旋淬法将母合金制备成合金薄带,使用X射线衍射仪、差热扫描量热仪、扫描电子显微镜、振动样品磁强计以及电化学工作站对退火前后合金薄带的物相结构、软磁性能和耐腐蚀性进行表征测试。测试结果表明:在480℃等温退火3 min后,合金的软磁性能达到最优,饱和磁感应强度Bs≈1.82 T,矫顽力Hc≈5.2 A·m^(-1);腐蚀后的合金薄带表面仅有微量的针状腐蚀产物,且无明显的腐蚀坑,表面光滑平整,具有良好的耐腐蚀性能。Fe_(84.3)Si_(2)B_(8.5)P_(3.5)C_(1)Cu_(0.7)合金薄带在退火温度为480℃、保温3 min条件下具有良好的综合性能。

基于晶体塑性与内聚力模型的Cu-Ni-Si合金晶界起裂研究

金属材料的宏观失效行为与其微结构的损伤演化密切相关。除了原位加载实验观察以外,利用先进的数值方法对其微结构的演化进行模拟预测,逐渐成为研究金属材料多尺度损伤演化机制的有效工具。目前对于多晶金属晶粒内部的位错运动可以利用晶体塑性有限元法进行准确模拟,但对于位错导致的损伤累积和微裂纹萌生模拟依然存在较大挑战。对于大多数金属多晶材料,位错通常在晶界处塞积导致应力集中,进而在晶界处开裂。因此,实现整个过程的模拟需要构建能够同时描述位错运动与晶界开裂的数值模型。针对此问题,将晶体塑性有限元与内聚力模型相结合,实现了材料微观变形-损伤的统一描述,并建立了描述位错运动与晶界开裂的整体有限元模型。随后,以多晶Cu-Ni-Si合金为研究对象,模拟了材料从变形、起裂、裂纹扩展到断裂的微结构演化过程,并揭示了局部沿晶断裂到整体失效的机制,阐明了晶粒取向对初始断裂位置与裂纹扩展的影响。该模型为各类金属材料失效行为的多尺度损伤演化模拟提供了可行的技术基础。

钢-混组合梁结构噪声研究

研究目的:为了分析列车高速通过钢-混组合梁桥时因振动产生的结构噪声,本文采用边界元法与统计能量法相结合的方法,建立32 m钢-混组合梁桥有限元模型、31自由度的列车模型及轨道模型,分析列车在轨道不平顺的激励下通过桥梁时的扣件力,并将扣件力作为声学边界条件,进而求解声场中各场点的声压级以及桥梁各板件对峰值声压级的贡献量。研究结论:(1)高速列车通过钢-混组合梁桥时,噪声的峰值声压级为76.5 dB(A);(2)列车以相同时速通过单箱单室和单箱双室钢-混组合梁时,桥梁结构噪声的峰值声压级基本相同,但桥梁各板件对于峰值声压级的贡献量不同;(3)列车通过单箱单室钢-混组合梁桥时,各板件对峰值声压级的贡献量为:腹板>翼缘板>底板>顶板>横隔板;(4)列车通过单箱双室钢-混组合梁桥时,各板件对峰值声压级的贡献量为:翼缘板>顶板>腹板>底板>横隔板;(5)本研究成果可为探究钢-混组合梁桥结构噪声产生机理及减振降噪措施提供参考和借鉴。

汽车荷载作用下桥梁冲击系数影响规律研究

以三跨连续箱梁桥为研究对象,建立了桥梁模型和车辆模型从而组成车桥耦合动力模型,并对车辆荷载作用下桥梁结构的冲击系数进行研究分析。研究表明:增加横向车道数可以使桥梁的冲击系数增大,纵向距离越大桥梁冲击系数越小;车辆在制动状态下的桥梁冲击系数明显大于车辆匀速状态时的冲击系数,并且车辆在桥梁中跨前半部分制动时,动力冲击系数要大于后半跨;车辆在跳车冲击作用下,桥梁跨中冲击系数明显增大,且在跨中跳车时,桥梁动力冲击系数为最大。

浅谈工程物理

为了继承发扬王淦昌先生“以身许国”的精神,浙江大学物理学系2018年起开设“工程物理导论”课程,将涉及核武器的公开物理原理和我国研制核武器的历史特别是老一辈科学家科学报国的精神有机融合在课堂教学中。工程物理是一门典型的交叉学科,一方面核结合能的释放是一个微观核物理过程,而要得到宏观效应则是一个典型的非平衡态统计物理的输运问题,因此,涵盖了核物理、原子物理、中子输运、等离子体物理等一大批学科方向。课程以培养物理学专业的学生对大科学工程和工程科学的理解为目标。为纪念王淦昌先生诞辰115周年,我们将课程讲义的导论部分整理修改形成了此文。

气垫船导管支臂振动疲劳寿命研究

气垫船工作中长期承受振动载荷,支臂外接头易产生疲劳裂纹。以气垫船导管支臂为研究对象,建立其有限元模型,根据模态分析结果阐述了外接头倒角区域裂纹出现位置具有随机性的原因;提取导管支臂模型的1/5模型作为子模型,通过模态对比分析进行模型简化;基于子模型分析了导管支臂对不同振动方向的振动敏感性;采用Dirlik方法估算不同振动方向的导管支臂振动疲劳寿命,并结合Miner线性损伤累积理论估算多轴向振动联合作用下的导管支臂振动疲劳寿命,为此类导管支臂振动疲劳寿命分析提供思路。

一种基于工程化气动加热算法的天线热防护设计

高超音速气动热仿真技术是提高天线热防护能力的重要支撑之一,为了进一步缩短研制周期和节约成本,本文提出了一种以冷壁热流和壁面恢复焓为输入条件,以MATLAB和CFD联合迭代快速求解高速气流中天线温度场的工程化算法。在利用气动热试验证明仿真结果与实验数据的高一致性后,以该仿真方法对一个高速气动加热时长为500 s的天线实施了防隔热优化设计,根据仿真评估出的导致核心器件温升的主、次要因素,针对性地提出改进措施,最终目标印制板由过往的320℃下降到了142℃,热控效果显著。

热力设备传热过程优化与节能控制

为优化热力设备传热过程,降低能源消耗,文章深入探讨了传热机理、热阻分析和传热介质特性,提出了传热优化方法和节能控制策略。结合实验和模拟分析,验证了优化策略的有效性。这有助于提高工业生产的可持续性,减少能源浪费,降低生产成本。

用于玻璃热压印的高温快速均匀加热模块的制造及优化

热压印技术是实现高性能玻璃微光学元件低成本绿色制造的有效途径,但是,由于加热冷却周期较长,温度均匀性不高,其制造效率和成型质量被限制。因此,有必要开发高温快速均匀加热模块,实现高效高质热压印成型。首先,基于氮化硅陶瓷加热片设计制造加热模块,搭建加热测试平台,实现加热模块表面温度分布的实时监测;然后,开展恒电压加热重复性测试,评估实验结果的可靠性;接着,建立和修正加热模块恒电压加热有限元仿真模型,并结合有限元仿真模型和正交试验法对加热模块结构进行优化,以提高加热速率和温度均匀性。实验结果表明:优化后的加热模块不仅加热速率快,而且温度分布均匀。进行180 s恒电压加热测试时,加热模块的升温速率可达363℃/min,表面温差为10.7℃。对加热模块进行700℃控温加热时,实测温度曲线与设定温度曲线基本一致,温度波动在0.3℃以内,尤其中心20 mm×30 mm区域的温差在2℃左右。最后,将高温快速均匀加热模块集成于热压印装置,实现了N-BK7玻璃微结构阵列的高效率高质量热压印成型。