求解相变传热问题的等效热容法

采用等效热容法求解伴有相变过程的瞬态热传导问题 .在整个区域建立统一的能量方程 ,将分区域求解问题化为整个区域的非线性问题处理 .给出了解决相变温度为单一温度或者相变温度区间很小时产生的数值奇异问题的方法 .用热焓判据判断单元是否发生相变 ,并考虑了固液两相材料物性参数的变化 ,相变界面位置按线性插值计算 .算例表明 ,等效热容法求解相变传热问题 ,程序简单 ,计算效率高 ,相变界面位置计算准确 .

平面相变热传导问题等效热容法的有限元解

用有限元法计算带相变的平面热传导问题 .应用单元相变发生的热焓判据 ,使程序能够自启动 ,不必给出单元初始状态输入数据 .相界面位置计算按线性插值处理 ,使程序有较高的计算效率 .算例表明 ,等效热容法的有限元程序热焓判据合理 ,相界面位置计算准确 ,并能成功地处理相变焓 。

基于等效热容法和焓法的相变传热数值分析

在相变温控装置性能分析问题的研究中,等效热容法和焓法是两种处理相变问题的方法。采用上述两种方法在ANSYS13.0中建立了相变传热模型,对一种含有金属相变材料的温控装置进行相变传热有限元分析,并在不同相变半径下分别应用这两种模型求解相变传热问题。最后对计算结果进行比较。结果表明,采用相同的相变半径时,等效热容法与焓法可得到较一致的仿真结果,但焓法具有较高的计算效率;同时,结果还表明采用两种方法的求解模型的时间随着相变半径的增加而缩短。

基于Sigmoid函数光滑化的等效热容和有限元法求解相变传热问题

为避免等效热容法中因等效热容函数阶跃变化对计算精度的影响,提出了一个基于Sigmoid函数的光滑焓函数,通过焓对温度的导数,可得到光滑和连续的等效热容函数,并结合有限元法与有限差分法建立了求解相变传热问题的数值模型.通过数值算例,对所提方法进行了验证,探讨了有限元网格密度、热容阵的数值积分格式以及Sigmoid函数相关参数对计算结果的影响,与解析解及以往的平均化方法相比,结果令人满意.

铸件凝固潜热的处理方法与应用研究

通过温度回升法与等效热容法的结合,提出了一种能够处理铸件凝固潜热释放问题的方法,它可适用于任意结晶温度区间,且计算效率很高。以生产厂铸件为研究对象,将此处理方法应用于预测铸件凝固时的温度分布,结果表明,计算值与实测值相符。

6CrW2Si钢制镶条淬火过程温度场数值模拟及试验

折弯模镶条淬火冷却时温度的瞬态分布特性对于研究6CrW2Si钢淬后变形机理有重要作用。考虑热物性参数、对流换热等因素随温度变化的影响,推导相变潜热转换为等效比热的定量解析并写入程序,建立了淬火过程三维温度场的非线性瞬态数学模型。通过金相观察、XRD物相分析和显微硬度测试方法对6CrW2Si钢镶条组织成分进行了试验研究。结果表明:表面换热边界条件和热传导两因素在不同时刻对零件的冷却速度交替起主导作用;65 s左右时马氏体转变所释放的潜热使得冷却速度有较大幅度降低,心部较表面所受影响大;冷却过程中镶条横截面的温度场由两表面交接处至心部呈梯度分布;零件只发生马氏体转变,且被淬透,最终得到的组织为马氏体+残留奥氏体+碳化物。

相变传热问题的灵敏度分析与优化设计方法

研究了相变传热问题的优化设计及其灵敏度分析方法．在有限元-时间差分和等效热容法求解相变温度场的基础上,提出了相变温度场对设计变量一阶灵敏度的计算方法,给出直接法和伴随法两种计算格式并分析了它们的特点,建立了相变温度场优化的模型和算法,在有限元分析与优化设计软件JIFEx中实现了该方法．数值算例表明了灵敏度计算的精度和优化方法的有效性．

土壤冻结水热耦合有限容积模拟研究

针对土壤一维冻结水热耦合模型的数值模拟,指出现有计算存在收敛性差、引入不必要条件等问题,基于有限容积法,建立了一种全隐计算格式。详细介绍了时间步长选择、特殊节点离散等问题,模拟了石英粉及张掖壤土试样的冻结过程,温度场及水分场的计算值与实验值基本吻合。研究表明:已冻土区水分迁移弱,水分重分布主要发生于未冻土区至冻结锋面,且冻结锋面推进速度对水分迁移影响较大,较显著的水分积累出现在冻结锋面推进缓慢时;试样的导湿能力差异导致对计算参数冰阻抗因子敏感程度不同,石英粉试样导湿能力强,对阻抗因子敏感。忽略水流条件下,水热耦合模型简化后,得到了温度场的等效热容模型,该模型更符合土壤介质的特点,适用于计算低含水率土壤的冻结温度场,而当土壤含水率高,水分流动剧烈时,还应考虑水分迁移对温度场的影响。

土体一维冻结问题温度场半解析解

针对土体的一维冻结过程,采用考虑土体冻结状态下未冻水存在的等效热容模型,建立了其温度场计算的半解析方法,并与相关文献中的数值解进行了对比,验证了方法的正确性。对等效热容模型与显热容模型进行了对比,计算结果表明:在瞬态阶段,显热容模型计算的冻结锋面推进速度较等效热容模型慢;而在接近稳态阶段,显热容模型计算的冻土区厚度较等效热容模型厚。在冻结诱导水流较弱的情形下,土体冻结状态下的持水特性越好,采用显热容模型进行温度场计算产生的误差越显著,并且其计算结果应用于人工冻结设计是偏于不安全的。

采用泡沫复合相变材料的电子元件热控制单元数值仿真

将相变材料(PCM)应用于移动电子设备热控制单元(TCU)是一种极为理想的被动式热设计方案,但因PCM导热率低,TCU热性能较差,需强化PCM的导热以提高TCU的热性能。对填充泡沫复合相变材料(FCPCM)的TCU建立了二维数学模型,并对TCU的热性能进行了计算分析。其中,FCPCM的传热模型考虑了空穴的影响;PCM相变过程采用等效热容法求解。对填充FCPCM的TCU设计和加肋设计进行了比较分析,此外,还分析了泡沫孔隙率、热源功率以及泡沫骨架材料对TCU热性能的影响。结果表明,填充铝制FCPCM极大提高了TCU的热性能,可以很好地满足电子元件热控制设计要求。

激光照射下生物组织解冻过程的理论分析

将激光传输的七流模型和固液相变传热的等效热容法相结合 ,提出了激光照射下生物组织解冻过程的二维数值计算模型 .数值计算结果与有关分析解进行了比较 ,吻合良好 .最后 。

多级串联热虹吸热水系统模拟模型

本文从热力学和动力学的角度出发,建立了一个既适应于多级串联热虹吸系统又适应于普通热虹吸系统的教学模型模型中,等效热容的引入不但提高了模拟的精度,且大大简化了模拟计算.分析还发现,当模拟时间间隔 L≤Min[(Mcp)_(bj,eff)/3AmC_p]时,模拟计算结果具有很高的精度。为了证明所建模型的正确性,对所建模型进行了实验验证,结果表明由该模型所得到的模拟结果与实验结果相当一致.

一种有效的潜热储能球床放热性能的数值分析方法

针对潜热储能床的数值计算,研究了现有多孔介质模型应用于该问题模拟时的不足,提出利用等效显热容处理相变问题的方法,并将其应用于潜热储能床放能过程的数值模拟中,这样使模型得到极大简化,并且较其他模型能更全面地反映储能床中的相变换热与换热流体流动的信息。将数值计算的结果与实验数据进行了对比,两者吻合很好。同时,通过对储能床中的温度分布及换热流体的流场分析,探讨了影响潜热储能床放热特性的因素。

基于Na_2HPO_4·12H_2O相变储能热管理的储热过程研究

文章研究了水合盐相变储能材料Na_2HPO_4·12H_2O在发热器件热管理上的应用。在储热块的封装中,为了解决水合盐导热性能差的问题,将Na_2HPO_4·12H_2O填充在泡沫金属中以增强其换热;并采用不同厚度的铜片均热板对发热源的均热效果进行测试。通过测试在不同加热功率下均热板中心与边缘位置的温度,发现其温差随均热板厚度增大而减小。在6 W功率加热下,若使均热板温差不超过4℃,则均热板厚度应不小于0.5 mm;设定陶瓷片热点温度不超过70℃时,30 mm×30 mm×7 mm的储热块可以维持大概10 min。在非稳态储热过程的模拟中,由于Na_2HPO_4·12H_2O具有两个明显的相变区间,传统的考虑单相变点的模拟方法无法给出准确的温度响应,因此采用等效热容法考虑两个相变点进行了数值模拟,结果表明,低功率加热时,采用两个相变点的方法精度更高;而在高功率时,两种方法区别不大。

内置弧形槽扭旋元件圆管中相变微胶囊的传热特性研究

设计出一种新型管内强化换热元件——弧形槽扭旋元件,在雷诺数Re=200~1 600范围内以MPCM相变流体为介质进行了管内流速场和温度场的数值模拟,基于等效比热容法从场协同角度分析了弧形槽扭旋元件的强化传热机理,并讨论了元件弧度的变化对管内换热效果的影响。结果表明:弧形槽扭旋元件可以从增强流场与温度场协同程度和提高MPCM颗粒的熔化率两方面共同增强换热效果,与传统扭旋元件相比管内Nu最高可增加12%;较低Re时,弧度r=π元件的Nu最大,而r=4π/3元件则在高Re时有着较好的换热性能;r=π元件的阻力系数最高,3种不同弧度的元件的PEC均大于1,最大值约为1.35。

燃料棒相变导热模型开发与污垢传热恶化应用

污垢材料在堆芯中迁移和沉积,在包壳表面附着有可能引起传热恶化甚至出现燃料棒局部熔化现象。国内自主开发的压水堆燃料棒分析程序BIRCH暂未考虑潜热,保守假定芯块温度超过熔点3 K完全熔化,导致计算得到的芯块熔化份额非常接近放射物质释放超标验收准则,且存在陡边效应。为解决程序计算过于保守问题,本文采用固定网格等效热容法开发了燃料棒熔化相变导热模型。相比于焓方法,等效热容法仅需对热容进行特殊处理,对整体程序代码改动较小。但传统等效热容法在跨越相变区时易出现数值不稳定性问题,导致计算结果出错。本文首先对等效热容法数值不稳定性产生的原因进行分析,同时基于能量守恒原则建立预测-修正相变求解算法,改进现有等效热容法,并采用不同边界条件解析解、Stefan精确解和焓方法数值解对改进等效热容法进行验证。计算分析结果表明预测-修正相变算法可提升传统等效热容法计算稳定性,且与Stefan精确解数值误差在5%以内,将其应用到污垢传热恶化事故中可提升现有计算结果安全分析裕量。

水合物开发储层温度场扰动研究

天然气水合物的开采过程中,水合物会发生相变,不仅会降低岩石的强度,同时相变分解会吸收大量的热,从而对储层的温度场产生扰动。这与多孔介质中的冻融现象本质相同,根据Gibbs-Thomson方程,孔隙中的相变温度不再是一个定值,而是与孔隙的尺度有关,即小孔中的固态晶体先于大孔发生相变。同时,相变过程中热量以潜热形式转化,并不会引起温度的变化。针对这些特点,将理论公式中的潜热与比热考虑成等效热容,从而建立了带相变的热传导控制方程。控制方程中含冰量与温度间的关系可由孔径分布曲线得到。在这个理论模型的基础上,考虑了热对流边界条件,模拟了地层岩石温度随时间的变化规律。模拟显示储层的升温曲线有明显的平稳段,即温度随时间几乎不变化。分析同时进一步表明,该温度平段的位置和长度是由孔隙大小分布决定的。

相变热沉结构瞬态仿真计算

弹载电子设备体积小、重量轻、热耗高,且与外界绝热,散热问题是一大难题。利用弹载电子设备短时间工作和相变材料高潜热的特性,进行相变材料散热结构一体化设计,优化传热路径,通过相变储能解决弹载电子设备短时间工作散热问题。为了评估相变材料结构作为热沉的散热效果和热设计符合性,提出一种相变过程等效比热容的瞬态仿真计算方法,并通过试验测试验证仿真结果,对比仿真计算与试验测试结果,两者最大相差2.5℃,为2.47%。试验结果表明仿真计算结果准确,相变材料等效比热容计算方法可行,为电子设备相变热沉散热结构瞬态仿真提供了新思路、新方法。

超快激光切割金属材料中快速相变的数值模拟

采用二维双温度模型对多脉冲激光照射金薄板的相变传热情况进行研究,通过等效比热容方法确定固液界面的位置并研究了激光参数对传热过程的影响。结果表明,当激光垂直照射金薄板时,表面整体温度不断上升,而在脉冲间隔时间内略有下降,但温度的峰值相比激光作用的中心有延迟。随着激光的移动,激光照射点处的温度会出现一个峰值,之后会回落。激光作用时间内热影响区的横向变化比纵向大,移动光源向内部的热传递占主要作用,脉冲间隔时间内,热影响区的纵向变化比横向大,金薄板内部导热占主要作用。随着激光的照射,熔化状态横向不断增加的同时,熔化的深度也在不断增加。提高入射脉冲激光能量,会导致熔化的时间提前且熔化深度增加。

锂离子动力电池的温升特性分析

锂离子动力电池在快速发展的今天,其安全性能越来越受到人们的关注,其中热量是影响电池安全性能的主导因素之一。为了研究电池在使用过程中的产热问题,本文根据锂离子动力电池在倍率放电时的温升数据模拟计算了镍钴锰三元材料和磷酸铁锂材料电池及不同型号的磷酸铁锂电池的等效比热容,结果表明电池的制作材料和电池结构两个方面对电池等效比热容和电池温升数据都有影响,三元材料电池的温升速率比磷酸铁锂电池要快,体积较大极片较长的电池散热系统较差,温升较快。此结论为电池的制作工艺和材料的选择提供了依据,对锂离子电池安全性能的提升提供了数据支撑,对锂离子电池的发展具有深刻而有意义的影响。