Analysis of 1989/1990 main physical fields for air-sea coupled system in the tropical western Pacific

In this paper, the marine ship observation data sets in the seventh (October 16-December 4. 1989) and eighth (June 1-July 16, 1990) cruises of PRC -US tropical ocean and global atmosphere (TOGA) joint scientific investigation in the tropical western Pacific are used to analyze the elements such as sea surface temperature (SST), surface wind field, fluxes and net heat budget, which are important physical parameters of underlying earth's surface influencing the global mean circulation evolution on seasonal and interannual time scales. These diagnostic analyses are very beneficial to the understanding of the regional climate characteristics and the air-sea interaction mechanism, and the improving of surface flux parameterizations and regional or global climate model.

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。

反应堆压力容器“set-on”集成化锻造结构多物理场耦合模拟研究

核反应堆压力容器(RPV)传统采用独立锻件通过焊缝连接的结构形式,由于焊缝为铸态金属组织,属失效分析中的薄弱环节,因此采用集成化锻造结构,确保承压焊缝质量,是提升RPV安全可靠性的重要方法。但是,集成化后的锻造结构存在几何异形、结构复杂、壁厚差异大等问题,其材料组织与性能调控难度大幅增加。针对上述问题,以核电RPV接管“set-on”结构形式为对象,基于结构导热微分及等温转变叠加理论,建立了锻造结构温度-组织-应力的多物理场耦合模型,以调质热处理的奥氏体化及淬火冷却两个阶段为对象,结合淬火冷却介质流-固耦合分析方法,获得锻造结构不同位置处材料组织与性能变化的定量规律,并明确了其关键影响因素。

BMS电路板多模块协同热-力耦合建模及仿真分析

针对现有电动汽车电池管理系统(BMS)电路板研究仅仅考虑单一功能模块的温度场及其散热效果,缺乏考虑BMS多个功能模块在温度场和力场下的相互影响及协同效应的研究的情况,以某商用BMS电路板为研究对象,采用ANSYS构建了表征BMS多模块协同作用下的热-力耦合数值仿真分析模型并验证了其有效性.在此基础上,针对BMS电路板各功能模块温度场及热变形行为开展了数值仿真研究.结果表明:BMS电路板温度分布不均,最大温差达20.5℃.均衡模块存在积热,温度高达54.4℃.高温导致电路板组件发生热膨胀变形,同时电路板约束诱发均衡模块及供电模块边缘的贴片电阻出现热应力集中,两者共同作用致使BMS均衡模块、供电模块产生凸起翘曲变形,且Z轴热变形量随着温度升高而增大,最大变形量达9.5μm,应针对BMS电路板上积热模块开展散热优化设计.

小电流真空电弧多物理场仿真耦合机理研究

真空开关开断过程中产生的真空电弧涉及电、磁、热等多物理场耦合及多物性参数变化,研究其特性对于改进真空开关至关重要。为此,建立小电流真空电弧多物理场耦合模型,利用COMSOL Multiphysics对燃烧过程中的温度、压力、速度、电流密度、磁场强度等关键参量进行仿真,并分析多物理场间耦合机理。结果表明:等离子体温度、压力、电流密度最大值均在阴极表面中心处,磁场最大处靠近阴极侧,速度最大处靠近阳极侧;温度场、电流密度场、磁场随时间变化波动趋势基本一致,速度场波动滞后于压力场。

驻极体电容传声器指向性的有限元仿真分析

建立驻极体电容传声器声学模型,添加电、力、声的耦合多物理场,并通过有限元仿真计算的方式,获取传声器灵敏度与声波入射方向的极坐标曲线图。通过改变驻极体传声器声学模型中阻抗材料的阻抗参数来仿真分析传声器指向性与阻抗材料阻抗参数的关系。将仿真结果与集中参数电路模型得出的指向性控制结论相比较,验证有限元仿真分析的正确性。

交流故障电弧作用下电缆碳化的实验与仿真研究

电缆碳化路径是电气火灾的一类重要致因。电缆绝缘材料经故障电弧烧蚀后形成碳化路径,搭接在电缆之间或电缆与大地之间构成导电回路,极易导致短路和电气火灾,严重威胁电力系统的安全稳定运行。探究电缆碳化路径的机理是业界关注的重要问题。该文基于电弧故障测试分析平台的工况条件对故障电弧引起电缆绝缘材料碳化过程进行实验与仿真研究。通过热重试验,初步构建绝缘材料的热解动力学模型。通过神经网络将热解动力学参数衍伸到电弧的高升温速率条件,为建立电缆碳化路径仿真提供反应机理和参数的基础。在此基础上,提出一种电路-电弧-热解耦合模拟方法,建立交流故障电弧作用下电缆碳化路径的三维数值模型,计算电弧的热、流耦合作用下电缆的碳化发展过程,探讨热解动力学参数及热解产气流速对故障电弧及电缆碳化的影响。结果可为研究电缆电弧故障的机理奠定理论基础。

外部环境温度与内部气压对HVDC GIL表面电荷积聚的影响

盆式绝缘子的表面电荷积聚是制约高压直流GIL发展的重要因素之一,而GIL内部热传递过程会加剧表面电荷的积聚进程。本文建立了电荷积聚的电-热场耦合数学模型,模拟了不同外部环境温度和内部气体压力下高压直流GIL内部温度随时间的变化情况,进一步研究了外部环境温度恒定及时变情况下的表面电荷积聚特征,并分析了其对表面电荷积聚的影响。结果表明:在外部环境温度为恒定值的情况下,外部温度每升高10℃,绝缘子表面的稳态温度会升高9.2%以上,绝缘子的稳态表面电荷密度也会因此增加17.3%以上。当考虑到外部环境温度随时间变化时,绝缘子表面的温度在持续上升一段时间后,最终会在特定温度范围内波动,此时绝缘子表面电荷密度与外部环境平均温度下的表面电荷密度值近似相等。此外,绝缘子的表面温度和电荷密度会随着气压的升高而减小。研究结果有望为直流GIL的设计和运行提供参考,从而提高直流GIL运行的安全性和稳定性。

基于多物理场耦合方法的燃料性能分析模型研究及初步计算

燃料棒是反应堆的核心部件,能够产生能量并包容强放射性物质,对其进行性能分析具有重要意义,传统的性能分析软件难以对复杂工况以及局部效应进行分析。近年来开始基于多物理场耦合平台对燃料性能进行分析。本工作基于COMSOL平台开发了棒状燃料的三维热-力-辐照耦合分析模型,考虑了芯块、包壳的物性随温度、燃耗等变化的模型以及燃料棒的一系列堆内行为。并以此对以SP-100为基础设计的新型燃料元件进行初步计算,具有一定的参考意义。

基于Workbench的电机多物理场仿真分析

电机运行涉及力学、热等耦合作用,因此研究多场耦合作用下的电机性能对提高电机综合性能具有重要作用。文章基于Workbench对电机进行静力学分析和热分析。首先通过单场耦合分析得到电机性能,然后通过热固耦合多场仿真研究电机综合性能,随后将多场耦合分析结果和单场耦合分析结果与电机实际性能进行对比分析,得出多场耦合作用与实际性能更加吻合,并验证了多场耦合分析的准确性。

基于多物理场耦合的气体绝缘母线触头接触温升有限元计算

触头接触温升与气体绝缘母线的运行状态以及可靠性密切相关。建立了气体绝缘母线三维涡流场分析模型计算母线各部分原件的功率损耗,并将其作为热载荷输入流场以及温度场有限元分析模型,计算出了母线温度场分布。为了模拟接触电阻且不影响母线温度场分布情况,合理简化了触头结构。基于计算流体力学理论,采用多组分传输方法计算母线内外不同气体的对流换热问题,避免了反复迭代求解对流换热系数。考虑了接触电阻以及气体热物性参数随温度变化的特性。多物理场耦合计算结果与实测值的对比结果表明了接触电阻简化的合理性以及母线温升计算模型的有效性。所提出的模型对于母线触头过热状态监测提供了方法和依据。

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。

多物理场耦合下不同短路与接地故障对变压器绕组状态影响的仿真研究

为研究不同短路与接地故障对变压器多次冲击后绕组状态的影响,基于变压器电、磁、热、力物理场理论,搭建了三相变压器的三维模型,考虑了温度对绕组材料属性的影响,采用迭代方法对电磁-热场进行了双向耦合仿真,然后将各故障类型下的电、磁和温度等物理量导入瞬态结构场,实现了绕组形变位移的仿真计算。结果表明,变压器内部的最大漏磁密对应故障为低压侧三相短路;绕组中部线饼服从整体磁密分布,其余部分线饼呈现一端大,另一端小的分布规律;绕组最高温度对应故障为低压侧三相短路,最高温度为97.36℃,位于A相低压绕组0°处;单次冲击下,位移最大对应故障为低压侧三相短路,其出现在高压绕组-20°~20°范围、高度1/3~2/3范围内;多次冲击后,绕组最大累积位移对应故障为低压侧两相接地,累积位移随冲击次数的增加而增加,直至趋于饱和。研究为变压器的多物理场耦合数值仿真提供参考。

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。

湿式多片离合器热机耦合温度场及应力场分析

建立了湿式多片离合器三维有限元模型,在湿式多片离合器的热流、热传导、对流方程的基础上建立了边界条件;采用热-机耦合仿真方法,在不同的内外半径差、接合时间和接合次数等参数或工况下对钢片的温度场和应力场进行了分析。研究结果为湿式多片离合器优化设计及离合器热管理系统的建立提供了参考。

基于异构网格耦合的产品多物理场有限元数据集成与可视化仿真

在产品虚拟样机多物理场的性能分析和仿真过程中,由于分析目的和分析工具各不相同,各种物理场的有限元网格模型和仿真结果数据都是异构的。如何将异构有限元网格模型的几何和物理信息进行耦合,集成到虚拟环境中进行网格图形显示与结果数据可视化仿真是亟待解决的问题。提出产品多物理场异构有限元网格的几何特征映射与仿真结果插值方法,分别提取各异构网格模型的拓扑信息,建立过渡网格模型,根据空间相对位置将各异构网格节点与过渡网格模型节点进行耦合映射,实现异构网格模型物理属性到几何特征的映射。开发基于异构网格耦合的机械产品虚拟样机多物理场可视化仿真系统。

煤层瓦斯抽采多物理场参数动态响应特征及其耦合规律

为进一步深化煤矿瓦斯抽采过程中多物理场参数动态响应特征及其耦合作用机理的认识,运用自主研发的多场耦合瓦斯抽采物理模拟试验装置,开展了工作面前方不同应力区域瓦斯同步抽采物理模拟试验,分析了抽采过程中煤体温度场、瓦斯压力场和煤体变形场的实时演化特征及多物理场耦合作用机制。研究结果表明:①在同步抽采过程中,应力Ⅳ区煤体温度下降速率最快,其次为应力Ⅰ区和应力Ⅱ区,应力Ⅲ区的温度下降速度最慢,不同区域瓦斯压力衰减特征与煤体温度下降规律具有相似性。煤体变形受煤体温度和瓦斯压力的耦合作用影响,使煤体变形呈非线性增加。应力Ⅳ区煤体变形量最大,应力Ⅲ区由于受泊松效应影响,其煤体变形大于应力Ⅰ区和应力Ⅱ区。②在同步抽采过程中,各应力区域煤体变形具有阶段性变化特征,分为变形延迟阶段、变形启动阶段和变形二次递增阶段,变形延迟的实质是煤层中大量分布的微孔和小孔,对吸附态瓦斯脱附的束缚作用,加上煤基质对瓦斯的毛细凝结作用,导致瓦斯解吸滞后,从而出现煤体变形延迟现象。③各应力区域煤体变形的动态响应受到有效应力压缩效应、基质收缩效应、解吸热收缩效应和泊松效应等共同影响,泊松效应对应力Ⅲ区起主导作用,有效应力压缩效应是突破变形延迟现象的关键因素,解吸热收缩效应和基质收缩效应是煤体变形二次递增的主要原因。

SF_6断路器磁流体二维电弧模型化与仿真

为反映SF6断路器在短路开断过程中电弧与气流的作用,以磁流体力学理论为基础建立了SF6电弧二维物理数学模型,考虑了电场、磁场、湍动气流场及辐射场间的耦合作用及SF6气体物性参数随吹弧气流温度与压力变化对电弧等离子体的影响.采用有限体积法对SF6断路器短路大电流开断时的稳态电弧进行数值仿真,定量分析了SF6电弧与电磁及可压缩、有粘、有源、湍动气流间的相互作用.研究发现,电弧提高了灭弧室喷口上下游气流的压力差,并且电弧半径也因自身电磁力的作用而不断变化,在喷口喉部较大,而在电极附近较小.

三入口单级分形微流控浓度梯度芯片的设计与性能分析

传统浓度梯度生成方法具有效率低、梯度不够精确、稳定性差等不足,微流控芯片因其特征尺寸小、反应快、精度高和易操控等优点,被广泛用于微流体浓度梯度生成。微流控芯片的通道结构与进样条件对浓度梯度的生成具有重要影响。基于自相似分形理论,开发了三入口单级分形微流控浓度梯度芯片。建立基于有限元的多物理场耦合模型,通过归一化流量矩阵与浓度矩阵的耦合设置,得到呈偏态分布与正态分布的浓度梯度分布规律。以红色染料与去离子水为样本进行实验,结果与数值模拟吻合较好,验证了芯片设计的科学性与有效性。