石蜡与低熔点合金双级联相变材料强化板翅式散热器换热性能的数值模拟

相变散热技术可以通过相变材料的物态变化,有效吸收或释放热量,从而实现被动式热管理。本文建立了一种板翅式相变散热器的结构模型,研究级联相变技术的相变传热过程及优化传热性能的措施,重点分析了相变材料(PCM)的组合方式、翅片结构以及不同的PCM体积比工况对相变散热器传热性能的影响。研究结果表明,改变PCM的组合方式对相变材料传热过程有显著影响,对于采用双PCM的级联相变散热器,PCM1和PCM2呈相变温度递减排列具备更优的热管理性能;当翅片数为16时,具备更低的工作温度,并且相比于四翅片结构的相变散热单元,两种级联PCM组合的相变散热单元的凝固时间分别缩短了25.3%和22.5%。因此,当翅片数为16及翅片厚度为0.5 mm时,热管理性能较优;采用石蜡和低熔点合金材料,当PCM体积比为1∶2时,两个临界温度下的热管理时间分别延长了17.2%和15%,温升速率也随着低熔点合金所占体积增多而逐渐减小,综合考虑热管理时间和温升速率,可知PCM体积比为1∶2时级联相变散热器的热管理性能较优。

多模式组合的居住区绿地对热环境影响的模拟研究

居住区作为城镇居民三生活动最主要的空间单元,其热环境质量直接决定了小区内居民的舒适感和幸福度.本文在归纳总结城镇居住区绿地组合模式的基础上,基于非静力流体力学技术和热力学原理,耦合有限差分及交替方向隐式算法对小区范围内不同模式结构组合的绿地生态系统进行热效应模拟研究,通过对比分析不同模式组合的绿地系统热环境效应特征,探寻多模式组合下的居住区绿地与局地热环境间的交互关系.结果表明:在相同的模拟条件下,“中心+宅间”绿地组合模式的热环境效应最好,“组团+宅间”模式次之,“宅间”模式热环境效应最差;模拟区域内三种绿地组合模式的最高最低温度差分别为2.36、2.31和2.34℃,且温度自西南向东北方呈现圈层式分布特征;多绿植类型的组合模式对局地热环境的改善效果依次为:草+灌+乔>草+乔>草+灌>草,灌木对绿地热环境舒适度的改善效果不显著.该研究能够为居住区绿地规划设计与实践提供科学参考.

工程尺度缓冲材料热-水-力多场耦合数值模拟研究

缓冲材料作为填充在废物罐与地质体之间重要的人工屏障,对高放废物处置库的长期安全至关重要。以工程尺度缓冲材料热-水-力多场耦合大型模型试验系统(China-Mock-up)为研究对象,采用有限元数值模拟软件LAGAMINE,考虑试验过程中复杂的边界条件与材料属性,实现了近5 a试验数据的定量模拟。模拟结果可准确预测试验系统内部不同特征点温度随室温周期性波动及线性增长这一动态变化规律;能够较好反映不同特征点相对湿度随时间的行为演化趋势,在加热器附近区域呈现出先干燥后饱和的现象,远离加热器区域则逐渐增大;模拟的总应力与实测试验数据间表现较好地一致性,能够反映试验台架内部不同特征点的总应力随时间逐渐增大这一演化过程。揭示了多场耦合条件下缓冲材料(膨润土)温度、湿度及应力的相互作用关系,为深入认识处置库环境下缓冲材料行为演化特征提供了重要的参考依据。

冶金渣气系统中Marangoni-热毛细对流的数值模拟

高品质钢材制造与钢铁在高温熔池冶炼过程中渣/金/气界面流动传热等物理机制息息相关。考虑熔池向外界散热和渣气相界面变形,耦合熔渣表面张力随温度变化,建立高温矩形浅熔池内渣气流动传热模型,运用CLSVOF方法考察冶金渣气系统的界面Marangoni效应。研究结果表明:熔池内热毛细对流远强于Marangoni对流,热毛细对流显著影响冶金渣气系统的温度场分布和流场结构,贡献率约占96%。随着水平壁面温差增加,Marangoni-热毛细对流增强,相界面变形加剧,熔渣温度均匀性提高约0.018%/K,但是相界面附近壁面耐火材料腐蚀情况更加严重。

干热岩压裂储层布井方式优选数值模拟

增强型地热系统(EGS)是从干热岩储层中提取热能的重要手段,而布井方式是影响其采热效果的关键因素,目前开展的布井方式研究较少考虑压裂储层开采模型的影响。建立了干热岩压裂储层采热的数值模型,通过不同位置的基质岩体温度下降幅度、热提取率、采出温度和采热功率对比分析了4种不同的布井方式对EGS采热性能的影响。结果表明:相较于直井,水平井的流体热交换的面积更大,能充分开发裂缝间的热量。在生产30 a时,考虑水力压裂裂缝连通的情况下,水平井一注两采模型的采热效率最高,其在垂直于井方向上温度波及范围约690 m,基质岩体平均温度下降38.09 K,热提取率为24.42%,采热功率为3.5 MW。研究成果为提高地热系统产热量、实现干热岩高效可持续开发提供了理论参考。

项目式教学在焊接热过程数值模拟课程中的实践

为了满足新工科教育对培养新型工科人才的需求,提高材料成型与控制工程(焊接)专业的教学质量,夯实学生的学科理论基础,培养学生的专业理论分析能力,以焊接热过程数值分析课程为研究对象,开展了项目式教学探索。将焊接热过程理论与流体动力学(CFD)理论和工具软件融合起来,开展了融合理论学习与数值模拟试验为一体的项目式教学探索。以典型熔焊工艺钨极氩弧焊熔池为分析对象,设计了熔池数值模拟模型,分别从材料属性、焊接参数、热源模型等方面分析了熔池热过程,完成数据分析和理论探讨。基于项目式教学模式,加强学生与教师的全过程互动,驱动学生自主学习,培养学生利用先进工具软件解决工程实际问题的能力,有利于培养具备厚实理论基础和实践能力的焊接人才。

不锈钢板式热沉传热特性的实验与模拟研究

目的 研究流量、胀高及焊点排布方式对不锈钢板式热沉传热特性的影响。方法 搭建实验平台,加工出结构参数不同的板式热沉实验件,同时采用静力隐式算法建立相应的几何模型,通过实验与数值模拟相结合的方法,研究流量、胀高和焊点排布方式的变化对板式热沉热阻的影响规律,并分析热沉流道内部流场状态。结果 首先计算了6个工况下的热阻,发现实际换热量为540 W时,数值模拟与实验结果的最大相对误差不大于25%。然后分析了误差来源,最后得到了热沉全流道速度场与温度场的分布情况。结论 实验与模拟结果有较好的符合程度,证明了数值模拟方法的可靠性。在换热量相同时,板式热沉的热阻随流量与胀高的增大而减小,焊点为菱形排布的热沉传热性能相对更好。板式热沉内部的流场具有周期性,焊点使流体扰动增强,并形成射流和旋涡,起到了强化传热的效果。

基于贝叶斯分析的干热河谷区橙子林冠层蒸腾耗水模拟

需耗水机制是进行农田/果园水分管理和调控的基础。本文聚焦蒸腾耗水机制,基于贝叶斯参数估计方法对比了不同Jarvis-Stewart模型配置对干热河谷区橙子林蒸腾耗水量的模拟效果,探索了Jarvis-Stewart模型在影响因子交互效应较强条件下蒸腾耗水模拟中的适用性。结果表明,考虑不同影响因子及其限制函数会对模拟效果产生较大影响,其中考虑土壤含水率和叶面积指数对模拟效果改善作用明显,而引入饱和水汽压差和气温则不同程度地降低模拟精度;考虑的影响因子越多,模型结构越复杂,模拟效果不一定越好;筛选出的最佳模型结构基本实现了橙子林蒸腾耗水的可靠模拟,但模拟效果仍有明显改进空间,因此,应综合考虑模型复杂程度、模拟精度及不确定性等,进一步探究适宜的模型结构。研究可为果园节水灌溉技术体系建立和水分管理优化提供科学依据,也能为耗水模型的进一步发展和完善提供理论支撑。

柔性复合相变材料用于锂离子电池热管理的效果模拟研究

以石蜡为相变材料、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物为弹性载体、石墨烯为导热增强剂,制备了一种柔性复合相变材料(FCPCM),对FCPCM用于锂离子电池热管理的效果进行了模拟研究。结果表明:与空气自然对流热管理手段相比,将FCPCM贴敷于锂离子电池表面进行被动式控温,可使锂离子电池表面中心最高温度至少降低1.89℃;在一定范围内增大FCPCM的导热系数和厚度,可减小电池表面中心最高温度和电池厚度方向的温差;FCPCM与锂离子电池之间的接触热阻也明显影响热管理效果,随着接触热阻增大,热管理效果下降。

织物-空气层-皮肤三维结构建模及其传热模拟

热防护服装是消防员面对火灾环境的重要屏障,为分析织物组织对其热防护能力的影响,构建了消防服外层阻燃织物的三维几何模型,并考虑实际着装状态建立“织物-空气层-皮肤”流固耦合传热模型。根据实验结果验证模型,并选取外界环境、织物组织结构及纱线导热系数进行参数研究,对比织物表面温度分布及真皮层热流密度、温度变化曲线。结果表明,该模型能较好地拟合实验结果,随着热暴露峰值温度的上升及纱线宽度的增大,纱线表面温度、真皮层热流密度、真皮层温度均上升。纱线的导热系数对真皮层温度影响较小。纱线宽度对真皮层温度的影响与热环境相关。有必要针对热暴露环境设计织物结构,在保障热防护性能的同时减小热防护服装质量,降低消防员热应激。

冷却塔热羽对核电厂周围流动与扩散影响的数值模拟研究

以某核电厂为研究对象,利用计算流体力学(CFD)方法研究了自然通风冷却塔对核电厂周围气流流动与污染物扩散的影响,并与风洞实验结果进行了比对,以验证模式有效性。结果表明:冷却塔背风侧,在近尾流区风速显著减小,湍流强度显著增大。冷却塔位于烟囱下风向时热羽排放对烟囱污染物扩散的影响较大,污染物通过冷却塔自然卷吸,出现二次排放现象,有热羽排放时的地面轴线扩散因子在1000 m前小于无热羽排放的。

玉米粮堆通风干燥过程中热湿传递模拟及试验

为了准确预测玉米粮堆通风干燥过程中的热湿分布变化,明确适宜的通风条件。该研究基于干储一体仓,运用局域热非平衡理论,考虑玉米呼吸热,建立玉米粮堆通风干燥热湿传递模型,探究不同因素对通风干燥过程的影响,并进行通风干燥试验,分析玉米含水率、温度以及粮堆空气的温湿度分布变化情况。结果表明:建立的热湿传递模型可有效模拟仓内玉米粮堆通风干燥的过程,玉米监测点的温度、含水率模拟值与试验值的相对误差分别为1.4%~12.1%、0.3%~14.5%,平均值分别为4.8%、6.5%;通风前期玉米粮情存在一定的不均匀性,内层玉米的升温速率与干燥速率快于外层。随着通风过程的持续,上述不均匀性逐渐降低。综合考虑不同条件下玉米温度和含水率的变化,适宜的通风条件为空气相对湿度低于75%、通风风速为0.09~0.23 m/s,风温随大气条件而定。玉米通风干燥中试试验的单位能耗为890.2 kJ/kg,节能效果显著。研究结果可为玉米通风干燥技术和操作工艺的优化提供理论支持。

辐射废锅内辐射屏水冷管热变形数值模拟研究

煤气化技术是煤炭清洁高效利用的有效途径,其中带辐射废锅的气流床气化工艺能够有效回收高温合成气显热,提高能源利用率。辐射废锅内部增设辐射屏水冷管,可在保持辐射废锅水冷壁整体结构紧凑的同时提高传热面积。为研究气化炉操作条件下辐射废锅内辐射屏水冷管的热变形,利用流体−结构耦合原理建立三维辐射屏模型进行模拟分析。模拟结果表明:在正常操作工况下,水冷管整体在距顶部5.30 m处温度达到最大值。在周向方向上,最靠近炉膛中心的1号水冷管表面温度成抛物线形分布,向火侧中间位置温度最高,向火侧和背侧最大温差达到60 K;在相邻水冷管的冷却作用下,2~5号水冷管表面温度成双峰状分布。水冷管的空间布置直接影响水冷管表面的温度分布。未加固定的辐射屏水冷管中最靠近炉膛中心的1号水冷管局部变形量最大为5.20 cm,π方向的最大偏移量为4.58 cm,超过相邻水冷管的间距,水冷管之间易发生碰撞。水冷管间增加固定后,水冷管发生整体变形,最大热变形量为3.28 cm,较未加固定的减小36.9%,π方向的相对偏移基本消失,水冷管之间的局部变形远小于管间距。增加固定可有效避免水冷管之间的碰撞。进口合成气温度和表面沉积的变化不同程度影响水冷管表面温度梯度和变形量,偏移方向均为水冷管的π/2侧。

新型鸟喙式涡流发生器强化传热数值模拟

将仿生鸟喙式结构引入涡流发生器中,结合Fluent软件在Re=6000~26800范围内对其换热能力j、流动阻力f与综合热性能C_(PEC)变化规律进行研究。结果表明:鸟喙式涡流发生器是一种高换热低流阻的高效换热元件,在Re=13000时C_(PEC)较传统矩形翼提高62.35%。此外其综合热性能随着迎流攻角α的增大先增大后减小,在α=30°时达到最大,较空通道提高26.83%。增大斜截角度β是降低流动阻力的一种有效方式,β=24°的结构较无截角结构流阻f降低47.03%。

双螺杆挤出机塑化系统电磁加热过程的数值模拟与实验研究及应用

探究电磁加热相比于铸铜加热对双螺杆挤出机塑化系统的影响,首先针对现有双螺杆机筒和线圈分布建立几何模型,使用comsol有限元软件研究了电磁加热过程机筒磁通量变化以及温度均匀性;另外,在数值模拟的指导下开展具体试验验证,对比了电磁加热和铸铜加热的机筒内壁及法兰温度均匀性、用电量及电磁辐射安全性。结果表明,电磁加热具有更高的控温精度,保证温度均匀性在±1℃以内,与模拟结果相吻合;在相同的加热时间内,电磁加热可以实现机筒和法兰同步加热,预热时间节约40%,生产过程节能50%;另外电磁辐射符合国家安全标准(GB 8702—2014),保证车间工人的人身安全。

海相页岩芳烃演化规律及成熟度指示意义——来自西加拿大盆地二白斑组自然演化与热模拟样品的对比研究

选取西加拿大盆地白垩系科罗拉多群二白斑组低成熟海相页岩进行地层孔隙热解生烃模拟实验,利用GC-MS对自然演化系列样品和热模拟系列样品内的芳烃进行了定量分析,系统对比自然演化与热模拟样品芳烃地球化学特征。结果表明:(1)自然系列页岩三甲基萘和四甲基萘、菲和甲基菲绝对含量相对较高,且随着演化程度的增加而增加;热模拟系列页岩内菲和甲基菲绝对含量和变化趋势在较高的热演化程度下依然保持与自然系列相同,而三甲基萘和四甲基萘绝对含量相对较低且变化趋势不同,随成熟度增加表现为先增加后减少。(2)自然系列页岩三甲基萘指数(TMNR)值随埋深增加逐渐增大,而热模拟系列页岩TMNR值表现为先减小后增大;自然系列和热模拟系列页岩四甲基萘指数(TeMNR)值、甲基菲指数(MPI)值变化具有协同性,TeMNR值随成熟度的增加呈先减小后增大,MPI值随成熟度的增加而增加,表明菲系列化合物可有效指示热模拟和自然演化条件下页岩的成熟度。(3)热模拟实验在一定温度内能够较好地反演芳烃热演化历程,即:350℃之前热模拟页岩TMNR值与自然演化页岩的规律不同,350℃之后相同;425℃之前烷基菲相关参数与自然演化页岩的规律相同,超过425℃后与自然演化不同,这主要受温度达到临界值而导致芳烃演化机理改变以及升温速率和有机质赋存状态等因素的影响。

青海共和盆地干热岩注采大尺度物理模拟实验

基于自主研制的真三轴多物理场原位注采大型物理模拟实验系统,开展了青海共和干热岩多井长期注采物理模拟实验。通过多井连通性实验获得了岩样内部天然裂缝系统的空间分布特征以及各裂缝与井筒的连通情况,在此基础上选择注入井和生产井,开展了一注两采和一注一采实验,系统分析了生产井的开采流量、开采温度、采热速率和流体采收率随持续注采的变化规律。结果表明:在热冲击、注入压力联合作用下,裂缝导流能力增强,生产井开采温度表现为下降趋势,且流量越大下降越快;当裂缝局部闭合区域逐渐激活,产生新的换热面积,开采温度升高或下降速率降低;采热速率主要由开采流量、注入和采出流体的温度差控制,当滤失通道导流能力增强,生产井流体采收率快速下降;优势通道和换热流体滤失对采热性能的影响机制有所区别,前者限制换热面积,后者影响采出流体流量,二者都是影响干热岩长期高效开发的重要因素。

多元热流体开发效果模拟及影响因素关联分析

多元热流体在稠油开发中得到了广泛的应用,但是由于其增油机理较为复杂,因此对其注入参数进行合理设计较为困难。利用数值模拟技术分析了多元热流体开发与蒸汽吞吐的作用效果差异,印证多元热流体增油机理的同时,研究了不同注入温度、注入速率以及焖井时间条件下多元热流体对开发效果的影响。结果表明,这些注入参数存在一个最佳的数值范围。进一步结合现场多元热流体应用井的实际生产数据对其开发效果的主控因素进行分析,得到注入强度、注入速度和注入温度是影响多元热流体开发效果的主要因素。研究结果为多元热流体开发工艺参数设计提供了指导。

空气预热条件下工业级无焰燃烧数值模拟研究

目前,研究者对无焰燃烧的探究大多选用实验室级别燃烧器,为进一步加强无焰燃烧在工业生产领域中的应用,本研究选用工业级燃烧器为研究对象,主要开展空气预热条件下的甲烷无焰燃烧数值模拟研究,探究空气预热温度及燃烧器结构变化对无焰燃烧的影响。数值模拟结果表明:①高温预热空气较常温空气实现无焰燃烧时更具优势,一方面,高温预热空气对高温烟气的回收利用有效节约了能源消耗,另一方面,炉内温度均匀性随空气预热温度升高出现明显改善,空气预热温度为1123K时无焰燃烧状态最佳,此时炉内的峰值温度在1400K左右,平均温度在1300K左右。②本文所用燃烧器在实现无焰燃烧时需满足一定的射流动量(临界射流动量)和热功率输入。原始燃烧器实现无焰燃烧所需热功率为130kW以上,通过两种燃烧器喷嘴结构的两种优化,实现无焰燃烧所需热功率明显降低,可实现高效的燃烧。

摩擦因数对超薄316L不锈钢双极板热冲压数值模拟的影响

构建了一个高温摩擦实验装置,用于测量厚度仅为0.1 mm的超薄316L不锈钢双极板在5种不同温度下的名义摩擦因数。实验结果表明,在200℃时,超薄不锈钢板的名义摩擦因数为1.05,远高于室温条件下的摩擦因数(0.29)。基于摩擦因数随温度变化的实验结果,建立了双极板热冲压过程的有限元模型,并利用温度相关摩擦因数模拟了0.1 mm厚316L不锈钢双极板在热冲压成形后的微流道厚度分布。结果显示,相比于使用恒定摩擦因数的模型,采用摩擦因数随温度变化的有限元模型可以更准确地预测微流道截面的厚度分布,其预测准确性提高了192%。