Multi-physical field coupling simulation of TCVI process for preparing carbon/carbon composites

To prepare Carbon/Carbon (C/C) composites with advanced performance, the thermal gradient chemical vapor infiltration (TCVI) process has been optimized by simulation. A 2D axisymmetric unstable model was built, which included convection, conduction, diffusion, densification reactions in the pores and the evolution of the porous medium. The multi-physical field coupling model was solved by finite element method (FEM) and iterative calculation. The time evolution of the fluid, temperature and preform density field were obtained by the calculation. It is indicated that convection strongly affects the temperature field. For the preform of carbon/carbon composites infiltrated for 100 h by TCVI, the radial average densities from simulation agrees well with those from experiment. The model is validated to be reliable and the simulation has capability of forecasting the process.

弯管内外表面腐蚀缺陷力学-电化学相互作用规律研究

为进一步研究弯管内外表面腐蚀缺陷力学-电化学(M-E)相互作用规律,建立基于多物理场耦合的弯管内外表面含腐蚀缺陷的三维模型,研究内压和缺陷几何形状对M-E相互作用规律及对弯管的影响。研究结果表明:当弯管内外表面存在腐蚀缺陷时,弯管内侧的M-E效应更强,增加应力和腐蚀的增长速率,使内侧更容易发生失效;当缺陷几何增长时,应力在缺陷长度和宽度方向上增长,腐蚀主要在缺陷长度方向上增长;外表面缺陷附近的应力和腐蚀增长规律基本一致,而内表面缺陷附近的应力增长较腐蚀增长更为复杂。研究结果可为含腐蚀缺陷弯管评估模型的完善以及管道系统完整性的管理提供理论参考。

基于磁-流-热耦合的高速开关阀动态特性

为确保高速开关阀动态特性满足其工作性能要求,建立了高速开关阀磁-流-热多场耦合模型,综合考虑电磁驱动力和负载力进行阀开关过程的瞬态计算,并对阀芯位移特性、流场特性进行了系统的仿真研究。通过高速开关阀空载位移试验对建立的多场耦合模型进行了验证,同时开展了高速开关阀在极端温度下的动态特性试验。试验结果表明,建立的多场耦合模型能够较为准确地描述高速开关阀工作过程中的动态变化,为其特性分析提供了研究方法;高速开关阀在2种极端油液温度条件下响应速度较室温略慢。

基于毛细芯热管的换流变阀侧套管电-热-流场优化研究

换流变压器阀侧套管在运行期间内部发热严重,电场分布极不均匀,在高温与复合电压作用下,又进一步导致电场畸变。鉴于热管良好的散热与均温性能,将套管与毛细芯热管相结合,提出换流变压器阀侧套管热管散热技术。搭建了热管套管的多物理场仿真模型,分析了电容芯体的轴向、径向温度与电场分布,进一步改变毛细芯孔隙率大小、热管填充工质种类与套管故障类型,研究孔隙率与工质对热管传热性能的影响以及套管故障情况下热管的有效性。仿真结果表明,引入热管后,套管内径向温度与电场最大值分别降低了41.06%、30.12%,轴向温度与电场分布更加平均。当热管工质为去离子水,孔隙率为0.75时热管的传热性能最好。即便套管发生过热故障,热管仍可降低热点温度,减小电场畸变。

400 kW永磁同步电机磁-流-热耦合特性分析

为准确分析大功率永磁同步电机运行时的温升特性,对400 kW,9 000 r/min的大功率永磁同步电机进行磁-流-热多物理场耦合分析。首先,对电机进行结构设计,分析其空载及负载的运行特性。其次,将损耗作为热源加载到温度场中,采用流热耦合,计算冷却流道中的冷却液对电机温度的影响。最后,考虑电机材料的温度特性对热性能的影响,提出双向耦合的方法,将电机磁场损耗实际分布加载到温度场中,再将绕组和永磁体温度变化情况反代至电磁场,通过有限元方法实现电机磁-流-热多物理场耦合。结果表明,双向耦合方法下,绕组的温升比单向耦合高6.27%,永磁体温升增加2.27%,提高了该类电机损耗和温升计算精度。

电-热-流多物理场耦合作用下脐带缆温度场及载流量计算研究

脐带缆被誉为连接水下生产系统和上部设施的“神经生命线”,准确分析其温度场分布和载流量是安全开展海洋油气勘探和开采任务的关键保障。不同于传统海缆,脐带缆因结构复杂、功能多样,在位运行时存在复杂的电-热-流多物理场耦合效应,传统解析法难以确定其温度场分布和载流量。本文基于有限元软件Comsol建立脐带缆电-热-流多物理场耦合截面精细模型,通过控制变量法研究3种典型敷设方式、环境等因素对导体温度和稳态载流量的影响。结果表明:当电流较小时,影响脐带缆截面温度和稳态载流量的主导因素是管中液体温度;导体温度的变化趋势能够反映稳态载流量的变化情况;直埋时,埋设深度与外界流体温度的增加皆会削弱脐带缆的散热能力;平铺时,海水流动会明显降低脐带缆温度,在低流速下,流速增加对脐带缆的降温效果十分显著,但高流速的海水会在紧贴脐带缆的表面形成具有温度梯度的边界层,使热量的传递受到限制,降温效果反而不明显;绝缘老化对脐带缆整体温度分布的影响较小,但会影响截面最高温度。

电磁-结构场耦合下变压器绕组漏磁场和变形仿真研究

电力变压器发生短路故障时会产生巨大的电动力,为研究电力变压器短路故障时的绕组变形情况以及影响绕组变形的因素,文中基于变压器多物理场耦合理论,搭建了三相变压器的有限元模型,通过MATLAB/Simulink平台仿真变压器发生短路时的短路电流,将该电流作为电磁场仿真的激励,计算出绕组的漏磁场和电动力分布,再采用电磁-结构场耦合的方法分析绕组的形变量大小和应力分布;运用相关理论分析不同温度条件对绕组变形的影响。结果表明,在辐向上,高压绕组受到向外膨胀的辐向电动力,中压和低压绕组受到向中间压缩的辐向电动力,在轴向上,各绕组均受到从端部向中间压缩的电动力,温度越高,绕组铜的杨氏模量越小,相同电动力作用下绕组变形量越大。研究结果对提高变压器抗短路能力具有一定的参考意义。

CO_(2)-ECBM过程中煤层渗透率演化规律

为了研究煤层渗透率在煤层注入CO_(2)以驱替CH_(4)(CO_(2)-ECBM)过程中的时空演化规律,以离柳矿区地质条件为工程背景,采用COMSOL Multiphysics数值模拟手段,建立了CO_(2)-ECBM流-固-热多场耦合数值模型,采用五点布井法对CO_(2)-ECBM过程进行了数值模拟,对煤层渗透率随CO_(2)注入的时空演化规律进行了讨论。研究表明:瓦斯压力、CO_(2)注入以及煤基质的收缩/膨胀变形是影响渗透率演化的关键因素;煤基质吸附CO_(2)之后,其膨胀变形起主导作用,占据孔隙空间,导致渗透率下降,CO_(2)影响范围内的渗透率平均值降低了40%;沿CO_(2)注入井至抽采井,渗透率受CO_(2)影响越来越小,呈单调上升趋势;CO_(2)影响范围外,渗透率平均值增加14%。

基于MLP-Bagging的PCB电热耦合建模方法

随着三维集成电路性能的提高和复杂程度的增加,印制电路板(PCB)的散热问题日益突出。研究了PCB在电热多物理场相互作用下各部件的发热情况,提出了基于混合激活函数的多层感知机(MLP)-Bagging多物理参数算法。通过使用ReLU和Sigmoid两个激活函数进行学习和训练,建立了精度更高的MLP模型。之后,结合Bagging算法构建多个并行的MLP模型。所提出的神经网络多物理模型可以快速准确地预测PCB的电热响应。实验结果表明,此方法与有限元法相比,可以节省约97%的计算内存和99%的计算时间,与传统神经网络如随机森林(RF)、长短时记忆(LSTM)网络、MLP相比,该方法表现优良且泛化能力较好,为提高PCB设计效率提供了一种可行方法,为PCB热分析提供了更高效的解决方法。

基于单片测量的新型B-H复合传感结构设计

基于标准单片测量法,针对H线圈法和B线圈法等一系列传统磁特性测量方法的不足进行改进,提出一种新型B-H复合传感结构的设计方法;该设计方法基于一种自主设计的旋钮控制的夹紧装置,通过霍尔元件代替H线圈法测量磁场强度H,通过切向线圈传感器代替B线圈法或探测针法测量磁通密度B,同时装置于夹紧装置的温度传感器可用来测量样片温升变化、压力传感器可用来探究样片磁致伸缩现象对磁特性的影响。通过仿真软件搭建测量模型和多物理场耦合模型,验证新型复合传感结构设计用来进行磁特性测量的可行性。通过一系列数据验证说明该复合装置具有可行性与实用性,且结构简易、易于拆解、可测量多种材料且测量精度较高。

油浸式变压器三维电磁-流体-温度场耦合分析方法

提出了一种基于有限元法和有限体积法的变压器三维电磁-流体-温度场耦合分析方法。通过建立变压器三维模型,采用有限元法分析变压器内磁通密度分布,并求得变压器及绕组损耗。将变压器铁芯及绕组损耗作为热源,采用有限体积法求解变压器流体-温度场,分析变压器内部油流及温度分布,同时根据温度场结果对变压器损耗进行修正,通过迭代求解变压器流体-温度场获取变压器内部最终温度分布结果,提高求解精度。采用所提方法对35 k V油浸式变压器进行三维电磁-流体-温度场分析,将结果与经验公式的热点温度计算结果进行对比,验证了所提方法的有效性和正确性。

油浸式变压器二维电磁-流体-温度场耦合分析方法研究

介绍了一种基于有限元法的变压器二维电磁-流体-温度场耦合分析方法。通过建立变压器二维模型,采用有限元法求解变压器内磁通密度分布;并计算变压器铁心及绕组损耗。随后,采用多物理场间接耦合方法将损耗作为热源加载条件求解变压器流体-温度场,分析变压器内部油流速度及温度分布。对35 kV油浸式变压器进行二维电磁-流体-温度场分析,将温度仿真结果与经验公式的热点温度计算结果进行对比,验证了方法的有效性和正确性。

考虑渗透系数变化的地下结构温度-渗流耦合分析

地下岩体的温度随着深度的增加呈逐渐上升的趋势,在地下水的作用下,岩体温度-渗流耦合作用明显。分析了地下岩体温度场与渗流场间的相互作用效应,考虑流体渗流和岩体骨架本身的热传导作用以及温度梯度所产生的渗流作用,并计入温度对水体运动粘滞系数及岩体渗透率的影响,给出了完整的基于连续介质模型的地下岩体温度-渗流耦合数学模型。借助多物理场耦合软件CM,运用该耦合模型对某核废料地质贮存模型进行了双场耦合分析,分析结果显示,考虑温度-渗流耦合作用后,对废料地质贮存区附近的围岩稳定性产生了不利影响,需引起足够的重视。

耦合磁滞的电-机械转换器多场建模及参数优化

为准确描述微小型电-机械转换器的频响受磁路敏感参数的影响规律,提出融合磁滞的电-机械转换器电-磁-固耦合多场的仿真模型,模拟转换器毫秒级的动态响应。首先,根据转换器的结构原理及各物理量的作用关系,在COMSOL平台中建立转换器电-磁-固耦合动态仿真模型,并引入J-A模型描述高频激励下的动态磁滞特性;然后,搭建电-机械转换器高频电磁力测试台以验证仿真模型准确性;最后,基于所建模型对转换器的影响频响的关键参数进行分析,得出激励电压、线圈匝数、衔铁长度和弹簧刚度的优化方法。研究结果表明:本文提出的融合磁滞的电-机械转换器电-磁-固多场耦合仿真模型的最大电磁力仿真结果与实验结果的相对误差仅为0.65%;电-机械转化器的激励电压应控制在12~15 V之间,衔铁长度取值范围为8.0~10.8 mm,线圈匝数可选220匝,弹簧刚度范围应为8~14 N/mm。

低维纳米功能材料力-电-磁-热-流耦合特性与器件原理

在纳尺度,材料和器件具有与宏观材料和器件迥然不同的奇异特性,掌握其规律是实现纳米技术创新的关键。本文结合近十年关于低维纳米功能材料局域场与外场耦合和物理力学行为的研究,介绍评述碳纳米管、石墨烯、氮化硼、氧化锌等低维纳米功能材料的力-电-磁-热-流耦合特性和物理力学行为的研究进展,并展望基于这类特殊性能的新型纳米器件的发展前景。

磁-流场耦合气-固流化床气含率的模拟

在内径0.16 m、高2.0 m的磁-流场耦合气-固流化床内,以空气为气相、掺杂铁粉的纳米SiO_2(平均粒径16 nm和48nm)为固相,应用Fluent软件将磁场模型与Fluent软件中的传统模型结合,模拟研究磁-流场耦合气-固流化床内磁场强度对局部气含率、平均气含率和轴向压力波动均方根的影响规律。模拟结果表明,随磁场强度的增加,局部气含率和平均气含率均增大,局部气含率径向分布的非均匀性增大;在一定磁场强度下,随颗粒粒径的增大,局部气含率及其径向分布的非均匀性均增大;在低磁场强度作用下,床内的局部气含率变化明显,多处出现大气泡;在高磁场强度作用下,床中局部气含率变得较均匀;随磁场强度和床层轴向高度的增加,床层内局部压力波动均方根增大。

季节冻土区非饱和膨胀土水-热-变形耦合冻胀模型

中国季节冻土区发育大面积深厚残坡积膨胀土,其特有的“冻胀融沉”“膨胀收缩”特性诱发诸多工程病害问题。针对季节冻土区非饱和膨胀土的冻胀变形机制问题,以延吉膨胀土为研究对象,开展了膨胀土冻胀特性试验研究,证明了膨胀土吸水膨胀特性对其冻胀特性有显著影响,据此提出了考虑相变动力区的非饱和膨胀土冻结-胀缩牵连机制。基于冻土多场耦合分析方法、结晶动力学理论,建立了非饱和膨胀土水-热-变形耦合冻胀模型FH_ex_Model,并予以验证。该模型能够反演出非饱和膨胀土冻胀过程中的冻胀变形分量和膨胀变形分量。此外,根据上述研究,建议在膨胀土工程场地中应当重视初冻期冻结作用诱发的高膨胀变形,同时稳定冻深以下区域的场地变形不容忽视。

开口式感应线圈的结构设计与钢-铜管插接接头感应钎焊电磁场和温度场的数值分析

为满足白电压缩机和散热器连接管路的在线感应钎焊,设计了一种开口式异形感应线圈。采用磁-热耦合分析的方法,对钢管-铜管和铜管-铜管插接结构的电磁感应钎焊热过程进行了有限元分析,确定了不同管路插接结构感应钎焊所需的优化工艺参数。利用所建立的三维瞬态有限元数值模型,获得了开口式感应线圈对钎焊接头温度场的影响规律。对同质和异质插接结构进行了感应钎焊实验,结果表明升温曲线和温度分布的测试结果与模拟结果吻合良好。

精密离心机流-热-固多场耦合计算方法

离心机是惯性导航系统加速度计的标定设备,转盘变形将严重影响标定精度。基于耦合理论研究了离心机流-热-固多场耦合问题的数值计算方法,分析了此类问题的全耦合数学模型,研究了求解数学方程的强、弱耦合算法及其应用。根据耦合方式不同定义了三种分析方法:直接法、顺序迭代法和顺序耦合法,建立了它们与强、弱耦合算法的联系。验证方法正确性后,对比离心机温度场强、弱耦合算法的计算结果发现,强耦合算法计算时间长,但模拟细节好,更接近真实情况,弱耦合算法计算时间短,但精度较低,故采用强耦合算法计算离心机流场和温度场。三种分析方法计算热-结构耦合的结果相近,故选择顺序耦合法计算离心机结构变形。

基于热-电-流耦合的芯棒碳化复合绝缘子发热特性研究

该文基于有限元原理,建立了110 kV复合绝缘子热-电-流多物理场仿真模型,重点研究复合绝缘子芯棒碳化缺陷下,环境风速、缺陷位置及缺陷程度对复合绝缘子表面热场分布的影响。然后对仿真数据进行分析,建立了芯棒碳化通道长度与复合绝缘子表面温升之间的三次函数关系,空气流速与缺陷部位表面热量流失之间的幂函数关系,同时提出了考虑空气流动下的复合绝缘子缺陷部位发热仿真计算模型。最后利用该文仿真模型计算结果与现场实际劣化下的复合绝缘子红外测试结果进行对比验证,得到本模型温升相对误差为1.48%,缺陷部位温度相对误差为0.39%,验证了仿真模型的有效性。研究结果可为对现行的复合绝缘子红外诊断方法提供补充和参考。