锂电池热管理系统多物理场耦合数值模拟研究

电池组温度对锂离子电池的工作性能和使用寿命等特性影响很大。为研究电池放电倍率以及冷却液流速对电池热管理系统温度分布的影响,本文以18650锂离子电池为研究对象,采用有限元方法仿真分析了在不同放电倍率、不同流动速度下的BTMS温度分布情况,分析造成温度和温差过高的原因。研究结果表明:当冷却液流动速度相同时,放电倍率越大,电池单体温度越高;当冷却液速度在0~0.05 m/s范围内时,增大冷却液流速,电池组最高温度降低越显著;当流速大于0.05 m/s后,冷却液流速越大,电池单体间温差越小,但冷却效果也在逐渐变差。

浅析射频SiP多物理场耦合分析关键技术

射频系统级封装(SiP)的多物理场耦合分析问题已经成为限制其可靠性提升的关键因素。当前,射频SiP的多物理场耦合分析内容主要包括模型建立和数值算法,然而,模型建立方法以及算法的适用性与选择方法是一大难点。同时随着物理场和射频SiP模型复杂度的不断提高和计算需求的不断攀升,现有部分分析方法存在计算量大、适配不佳等问题亟待优化。本文对多物理场模型的建立方法及射频SiP关键物理场单场和耦合场方程进行了总结归纳,从方法特点和适用条件两个方面对有网格与无网格四种数值算法展开阐述,同时列举了若干种多物理场耦合优化方法,从建模、求解和耦合方式的角度为实现简化建模、加速计算、优化结果等目标提供了方法和建议,可以为射频SiP的多物理场耦合分析和改进工作提供参考。

多物理场耦合的厚板焊接熔池形态数值模拟技术在钢构件制作中的应用研究

焊接是涉及到传热、冶金、力学等多学科、多物理场强耦合的复杂过程,焊接多场耦合模拟对于优化焊接工艺、控制焊后残余应力、节省成本以及提高构件使用寿命和可靠性等具有重要意义。本文从理论研究出发,利用SYSWELD软件进行了模拟计算分析,通过实验结果指导焊接工艺评定编写,进而指导钢构件焊接参数的设置。

基于多物理场耦合的输变电设备性能评估与寿命预测

随着电力系统的快速发展,输变电设备的可靠性和经济性成为电力行业关注的焦点。本文提出一种基于多物理场耦合理论的输变电设备性能评估与寿命预测方法。首先,建立考虑电磁场、热场和力学场耦合作用的输变电设备多物理场模型,通过数值模拟,分析设备在不同工作条件下的性能表现。其次,基于模拟结果,构建性能评估指标体系,并提出一套综合评估方法。最后,结合设备的实际运行数据,开发寿命预测模型,对设备的剩余寿命进行预测。研究结果表明,该方法能有效评估输变电设备的性能,并准确预测其寿命,对于提高设备的运行安全性和经济性具有重要意义。

焊接多物理场耦合数值模拟的研究进展与发展动向

现代焊接工艺涉及力、热、电、磁、光、声等一切可以利用的能源及其与被焊材料的相互作用,本质上是传热、冶金、力学等多学科、多物理场强耦合的复杂过程。深入了解和掌握焊接工艺涉及到的复杂多物理场耦合及其相互作用机制,对于实现焊接加工过程的优质、高效、低耗与清洁,具有重要意义。本文论述了焊接热过程与熔池-小孔动态行为、焊接应力与变形、接头组织与性能等领域数值分析与预测技术的关键理论基础与技术方法。重点介绍了激光-熔化极电弧复合热源焊接、受控脉冲等离子弧焊和搅拌摩擦焊工艺过程数值分析的最新成果。在此基础上展示焊接多物理场耦合数值模拟领域的研究进展与发展动向。

基于多物理场耦合的某型防暴喷射管喷射过程数值模拟

采用多物理场耦合的方法,对某型防暴喷射管射流高压气体膨胀、活塞推动以及射流喷射3个物理过程分别建立数值模型,基于Comsol Multiphysics平台进行耦合计算。结果表明:在初始压力为10 MPa的条件下,活塞在0.31 ms内速度达到最大值8.81 m/s,在18.47 m/s运动到喷嘴处,速度约为2.02 m/s;在活塞推动下管内战剂压力以弹性波的形式向喷嘴传播,其最大值约9.12 MPa;战剂在喷嘴处加速,经过长圆柱段的整形加速从喷口喷出,最大出口速度为70 m/s;管外射流可分为伞状结构阶段、水团形成并破碎阶段和射流继续发展阶段,空气摩擦阻力是射流破碎的主要因素。所建立的数值模型能为下一步火药选型、喷射管和喷嘴结构优化等提供借鉴。

地震前热异常机理多物理场耦合数值模拟初步研究

地震的孕育和异常的产生是多物理场相互作用相互影响的过程，其中应力场、渗流场和热场是其中最重要的物理场。岩石变形与热效应导致流体孔隙压力和渗透特性的改变：流一固传热和岩石变形生热引起温度变化；热应力与流体孔隙压力变化影响岩石变形。

地震前热异常机理的多物理场耦合数值模拟研究——以汶川地震为例

强震前震中区较大范围内出现热异常是一种普遍现象,已受到地学界高度关注。最近的研究表明:①震前的热异常可以表现为红外增温,也可以是潜热通量和感热通量变化;②异常区与震中位置配合较好,基本是顺断裂带走向的;③临震前,异常区从外围向震中区域收缩。

断块油藏注采耦合提高采收率机理及矿场实践

针对渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷古近系断块油藏水驱开发后期流线固定导致注入水无效循环的问题,基于渗流力学和油藏工程原理,通过室内物模模拟和油藏数值模拟,提出了“细分开发层系、轮注轮采”的注采耦合开发调整技术,并验证了该技术可提高采收率的原理。研究结果表明:(1)利用注采耦合开发技术建立的“注入期间的高渗通道与低渗通道吸水量比模型”和“采油期间主流线和非主流线产油量比模型”均揭示了“改变压力场促进渗流场调整,实现均匀注入和均匀采出,扩大水驱波及系数和增加驱油效率”的注采耦合渗流力学机制。(2)注采耦合技术可以实现“扩大波及系数、增加驱油效率”,起到类似“调剖”的作用,高含水期通过此项技术可将低渗透岩心的分流率由1.0%提到18.6%,模型驱替更均衡;经过2个轮次的注采耦合调整,高、低渗透岩心的原油采收率分别提高了10.3%和16.1%。(3)研究区D断块古近系沙河街组沙二段Es236含油小层油藏注采耦合开发数值模拟结果显示,主流线和非主流线驱替更均匀,两者压力梯度极差由2.3下降至1.4。经过3个轮次注采耦合开发调整,沙二段3—6砂层组油藏平均综合含水率下降了3.2%,累计增油1 760 t,提高原油采收率2.1%,增油降水效果显著。

基于多物理场耦合的高温掺合阀温度场数值模拟研究

为了研究柱塞式高温掺合阀在实际生产中流体域内温度场、速度场、压力场及阀耦合温度场的分布规律,分别采用理论计算方法和基于ANSYS的有限元方法对实际生产工况条件下该阀的流场、温度场进行耦合计算。给出了理论计算过程,为模拟分析提供依据,给出了流体域内温度场、速度场、压力场及阀耦合温度场的计算过程和结果。结果表明:阀内流体域分布中速度场分布与温度场分布整体吻合,态势良好;热流出口段窗口处温度梯度较大,且由于热流段流速较快,耦合过程中有一定射流现象;热流入口处沿径向温度梯度较大,说明隔热件发挥作用,隔热效果较为明显。

金属激光熔化沉积过程双时间步长法多尺度物理耦合场的数值模拟

使用激光金属熔化沉积成形方法制备金属零件时,如果能够提出一种方法来明确宏观工艺参数与成形件内部组织的关系,控制成形件内部组织演变,会提升成形件的力学性能。针对此类问题,本文通过数值模拟与工艺试验相结合的方法,使用双时间步长方法建立多尺度耦合多物理场模型,研究宏观工艺参数对微观组织演变的影响因素。并使用相同的工艺参数对数值模拟模型进行比对验证,得到了相对准确的结果,对激光金属熔化沉积成形过程的控形控性具有指导意义。

多物理场耦合分析下的电解加工环形窄槽数值模拟研究

针对环形窄槽结构电解加工过程工艺试验周期长,型面难以预测的问题,建立掩膜电解加工过程电场、流场、温度场耦合数学模型,利用COMSOL软件对多物理场进行数值模拟仿真,得到加工间隙内电解液电流密度、流速和压力的分布规律,并将加工过程中不同时刻耦合场仿真结果进行对比,得到加工进程中各参数变化规律。研究结果表明,多物理场耦合仿真能够准确模拟实际电解加工过程,实现了工艺参数选取,为实际工艺提供了理论依据,对提高窄槽结构电解加工质量和效率有重要意义。

基于多物理场耦合的声波测井换能器数值模拟与设计

声波测井换能器是声波测井装备的核心部件,是制约声波测井仪器发展的瓶颈。采用有限元方法对换能器进行数值模拟,通过建立“水域-透声窗-油腔-换能器-骨架”声波测井换能器整机有限元模型,完成不同材料、结构、尺寸条件下的换能器总成声学性能计算对比分析,优化换能器设计及详细结构参数,可得到性能更优的安装骨架结构、声辐射效果更优的透声窗材料与尺寸,解决以往模型计算误差问题,大幅提升数值模拟有效性。通过开展换能器声学性能实验室测试与勘探井现场试验,验证设计效果。研究结果表明,通过换能器整机有限元模型多物理场耦合数值模拟,系统研究和分析换能器的声学性能、材料和工艺,可减少原型测试的原型数量和测试次数,进行设计迭代优化,形成最终设计方案,为换能器研制提供理论依据和技术指导。

变厚度铺层Nomex蜂窝夹层件固化变形的数值模拟

为准确预测变厚度铺层夹层结构的固化变形,基于热-化学-结构多物理场耦合方法对AS4/8551碳纤维/环氧树脂复合材料-Nomex蜂窝夹层结构的固化过程进行数值模拟。考虑材料时变特性的影响,结合复合材料瞬时线弹性本构模型、细观力学理论和改进的Gibson等效理论建立起夹层结构三维有限元仿真模型,研究了结构在整个固化周期中的固化度场、温度场和应力-应变场的分布关系,并同已有的实验结果进行对比验证,最后通过解析模型分析预固化工艺对结构回弹变形的影响规律。结果表明:建立的有限元模型能够比较准确地反映结构固化过程,固化变形的平均预测误差为4.8%,最大预测误差不超过6.0%;变厚度铺层设计对较薄区域面板的固化应力影响较大,表现为沿厚度方向的向上剪切应力,在冷却阶段集中于结构端部并转化为结构翘曲;面板预固化处理削弱了固化放热和材料各向异性对夹层结构固化变形的影响,0.25预固化程度下结构最大变形的降低幅度达到14.78%。研究结果为复杂设计蜂窝夹层件制造精度的提升和工艺优化提供了重要参考。

基于相场法的深层干热岩储层水力压裂模拟研究

为认识深层干热岩储层水力裂缝起裂与扩展规律,基于相场法建立了流−固−热耦合裂缝扩展数值模型,分析了干热岩储层水力压裂裂缝扩展力学行为,研究了温度、排量及天然裂缝等因素对水力裂缝扩展的影响。结果表明,基于相场法建立的流−固−热耦合裂缝扩展数值模型判别准则简单,计算准确;干热岩储层水力压裂过程中,热应力呈现为拉应力,有助于增加裂缝开度,对裂缝扩展起辅助作用;压裂液与地层温度差越大,排量越大,热应力影响效果越显著。水力压裂裂缝遇到天然裂缝后会沟通并开启天然裂缝,再次起裂时受地应力与天然裂缝控制。研究结果可为深层干热岩储层水力压裂提供参考。

直流电弧等离子体炬数值模拟与诊断

直流电弧等离子体炬内部物理过程复杂且具动态性,较难对其进行准确描述与深入研究,且其工作温度较高,其状态参数难以使用常规方式测量。针对直流电弧等离子体炬,建立流动、传热和电磁相互耦合的数值模型,基于Fluent软件对直流电弧等离子体炬进行三维数值模拟和特性分析,设计并搭建了一套热焓探针实验系统,完成对直流电弧等离子体炬射流参数的测量分析。结果表明:建立的数值模型模拟结果与实验测量结果吻合较好,误差在10%以内;炬内温度与速度最大值与工作气流量呈正相关,均出现在靠近阴极区域,且沿轴线逐渐降低;等离子体炬内高温区与高电流密度区重合。

风洞用高参数热风阀多物理场耦合数值分析

介绍了风洞热风阀在风洞系统中承受高温及高压的工况条件及其相关的技术要求。建立和描述了风洞阀门的物理及数学模型,确定了模型的边界条件。分别采用有限容积法及有限元法对风洞阀的流场、温度场及其应力应变场进行了耦合计算。给出了阀内空气最大流速、阀座表面平均温度、阀体局部点最大应力的计算过程和结果及其阀体加工时所采用的工艺规则。

德兴斑岩铜矿床断裂与侵入体产状对成矿的控制作用:从力-热-流三场耦合数值模拟结果分析

斑岩矿床的成矿机制是一种典型的力-热-流多物理场耦合的岩浆-热液过程,因而从成矿动力学数值计算模拟的角度研究斑岩矿床成矿作用过程,对揭示斑岩岩浆-热液系统动力学演化机制及其成矿响应情况具有十分重要的意义。德兴铜矿(包括朱砂红、铜厂和富家坞)作为目前中国华南已发现的最大斑岩型铜矿床,是研究(大型/超大型)斑岩矿床成矿作用过程的一个典型的重要窗口。前人已在矿床地质、地球化学、年代学、同位素以及成矿流体等诸多方面开展了大量的研究工作,但从成矿动力学数值模拟的角度对德兴铜矿成矿作用过程进行的研究目前相对较少。为此,本文以德兴斑岩铜矿床为主要研究对象,首先通过总结分析其成矿过程的地质概念模型,进而将侵入体形态(包括长轴及短轴长度)和倾伏角、控矿断裂倾角与宽度作为几何模型中的变量,构建由这些变量组合控制的几何实体模型。在此基础上,进一步分析斑岩矿床成矿过程数值模拟中应力场、流体场以及热力场三者的耦合关系及其数学-物理方程,构建德兴斑岩铜矿床的成矿动力学模型,建立相应的有限元数值模拟模型。最终,设置不同的岩石物理参数、边界条件与初始条件,进行力-热-流三场耦合的数值模拟实验,并根据不同侵入体产状及断裂构造条件下的模拟结果探究德兴铜矿床断裂和侵入体产状对成矿的控制作用。主要结论如下:(1)较小的断裂构造宽度更易造成岩矿石局部破裂,便于流体弥散而形成浸染状或微-细脉状的斑岩矿化;(2)较大体积的岩体以及较小的岩体倾伏角度对斑岩铜矿床的形成相对有利;(3)朱砂红矿床较铜厂和富家坞矿床岩体体积小,而倾伏角相对较大,导致岩体冷却速度快,表面及附近扩容空间小,因而成矿深度大,而金属储量小。揭示了德兴铜矿床斑岩侵入体与断裂构造产状的控矿机制,增进了对德兴铜矿矿床成因和控矿要素的认识。

冬奥集装箱房室内热环境多物理场耦合模拟及分析

为了研究集装箱房在冬季奥林匹克运动会期间的室内热环境,对集装箱房室内外环境进行了多物理场耦合求解,建立了室外环境、围护结构和室内环境三者的热网模型,对导热、对流、辐射3种传热方式进行了耦合计算。将模拟结果与实际测量数据进行对比分析,验证了该模拟方法的准确性。而后研究了在冬奥会赛事期间,集装箱房采用不同热工性能围护结构时的室内热环境。模拟计算了采用6种不同种类的保温材料及不同厚度的岩棉时,室内温度的变化情况。结果表明:综合经济性和保温材料特性,选择岩棉较为合适,且当其厚度为150 mm时,室内温度约为19.6℃,满足冬季室内温度的要求。

真实破裂过程分析软件与多物理场耦合软件结构力学模块对比研究

简要介绍了真实破裂过程分析软件系统(RFPA)和多物理场耦合数值模拟软件系统(COMSOL Mul-tiphysics),并分别运用这两个软件系统对受拉应力作用下带孔平板试件和共心圆轴试件在热应力作用下的受力变形特征进行了数值模拟对比分析,指出真实破裂过程分析软件系统的特色在于对材料破坏过程的分析处理,而多物理场耦合数值模拟软件系统的特色在于对于复杂多场耦合问题的求解,将这两种软件系统各自的特色特点结合起来应用于材料破坏过程中的多场耦合问题分析是以后应当努力发展的方向.