轴向柱塞泵热特性及热力学建模实验研究

针对轴向柱塞泵在高压和高速工况下发热过快的问题,对柱塞泵热特性和热力学建模进行了仿真分析与实验研究。首先,在摩擦副发热理论基础上,考虑了泵内油液搅动摩擦与轴承摩擦发热源,研究了柱塞泵内发热机理和传热分析的热特性理论;然后,根据柱塞泵部件复杂和固流态域区分度高的特点,阐述了所采用的控制体积法原理,将泵划分为5个控制体积后,建立了以各个控制体温度变化为导向的热力学模型;最后,采用光纤光栅温度传感器和蓝牙无线温度传感器,针对不同的控制体节点设计了传感器封装结构和布置方法,共同组成了轴向柱塞泵在线热监测系统,并进行了在不同压力条件下的对照实验,对理论模型进行了有效性验证与分析。研究结果表明:对比实验和仿真结果,模型温度变化与实际误差值在5%左右,验证了该模型能准确地反映和预测泵热力学变化过程。该结果为柱塞泵热力学状态监测提供了故障诊断基础,并为液压系统热管理系统设计提供了理论基础和设计依据。

考虑气隙变化的高速电主轴热特性仿真

为了解决电主轴高速旋转时结构变化引起的自身热特性改变的问题,提出离心膨胀和热膨胀会影响电主轴内定、转子间对流换热的观点.基于弹性力学理论,计算电主轴定、转子受离心力和热载荷而产生的径向膨胀量及由此导致的气隙变化量;根据对流换热理论得出离心力影响下泰勒数随转速和气隙长度的变化规律以及对流换热系数的变化规律.计算发现,气隙长度随定、转子的膨胀而减小,该减小量占设计值的37.7%;泰勒数随转速升高而增大,随气隙长度增大而减小;对流换热系数随气隙长度增加而降低,使得定、转子间传热受到抑制.结果表明,若能提高气隙间对流换热系数,适当提升油水冷却功率,能够大幅度降低主轴转子温升和热位移,提高加工精度.

热线理论计算线材精轧机组的温升

基于热线理论提出计算高速线材轧制温升的新方法。由于线材精轧轧制速度快,散热条件差,可认为轧制过程是绝热的,线材轧制外功几乎全部转换为热。线材温升的热量全部来自于变形区内的速度不连续线所做的剪切功率,称此速度不连续线为热量分布线(热线)。道次温升为变形区内全部热线温升的总和,在假定道次变形中椭圆长轴或短轴不变条件下推导出高速线材精轧机组温升计算公式。对6.5 mm线材精轧进行了实际温升计算与测量,结果表明:计算的理论温升略低于实际测量温升,线材精轧入口温度越低,出口累计温升越大。

高速直齿轮本体温度场的仿真与试验研究

综合运用齿轮啮合学、摩擦学和传热学知识,精确计算了轮齿不同啮合位置的摩擦热流密度以及轮齿啮合面、端面的对流换热系数。利用ANSYS软件建立了直齿轮单个轮齿的有限元模型,获得了轮齿的本体温度场,分析了扭矩、转速以及润滑油输入温度等关键参数对轮齿本体温度场的影响。研究结果表明:轮齿最高温度区域分布在轮齿啮合接触面的中心部位,轮齿啮合面温度沿齿宽方向近似呈抛物线分布;轮齿的最高温度随扭矩、转速和润滑油输入温度的增加而增加;仿真值和试验值基本吻合,证明仿真分析方法可用于齿轮本体温度场的研究。

激光热丝焊电阻热控制及送丝参数优化

如何选择送丝参数从而获得合适电阻热是确保焊丝稳定过渡和高效熔覆的必要条件.文中通过高速摄像观察电阻热对焊丝过渡行为的影响,采用红外双色测温对焊丝温度进行测量.结果表明,导电嘴以下30 mm处焊丝的温度可作为最优电阻热的判据;利用数值模拟方法建立了焊丝非稳态导热模型,计算了导电嘴以下30 mm处焊丝的温度,从而可以预测最优电阻热对应的送丝参数.对不同送丝速度下最优电流比较发现,一定电阻热下加热电流的平方与送丝速度的比值为常数,可用于快速选择最优电阻热的送丝参数.

格栅对高速列车设备舱散热性能的影响

为研究在裙板不同位置增加格栅对高速列车设备舱散热的影响,建立3种不同设备舱的高速列车空气动力学模型,分别包括原始设备舱、裙板中间增加格栅的设备舱和裙板两端增加格栅的设备舱.基于三维不可压缩N-S方程和k-ε两方程湍流模型,利用FLUENT对250 km/h高速列车设备舱的温度场和流场进行模拟.对列车上行和下行时设备舱的流场与温度场进行分析,比较在不同位置增加格栅时设备舱内温度的变化.结果表明:在裙板不同位置增加格栅对设备舱内的温度场影响较大,在裙板中间增加格栅对头车和中间车设备舱的散热不利,建议在裙板两端增加格栅以更有利于设备舱散热.

电机电磁线退火温度场仿真分析

以某高速重载列车牵引电机专用电磁线为研究对象,充分考虑退火过程中存在的接触传热、导热、对流传热和辐射传热以及循环风机和测温钢管等影响因素,借助STAR-CCM+并应用流固耦合分析技术对电磁线的退火温度场进行数值模拟.仿真结果与实测结果基本吻合,证明该方法的正确性.给出的退火温度与机械性能的关系可为电磁线退火工艺的优化提供参考.

高速列车设备舱底板的辐射传热特性

针对设备舱底板传热问题建立计算模型,分析不同风速、不同底板初始温度和不同辐射热吸收率对底板温升及热辐射占比的影响,并通过试验研究常规防辐射涂层对底板温升的影响。研究结果表明:设备舱底板温度上升的主要传热方式为对流换热,而非辐射换热;在强迫对流条件下,即相对速度为5 m/s,底板材料辐射热吸收率为0.1时,其温度上升初期辐射热占比小于20%;在自然对流条件下,且底板材料辐射热吸收率为0.1时,其温度上升初期辐射热占比小于35%;实际设备舱底板材料辐射热吸收率低于通常防辐射涂料吸收率,建议不增加额外的防辐射热措施。

CRTSⅢ型无砟轨道板内温度场演化特征研究

为研究CRTSⅢ型无砟轨道板在太阳辐射、环境温度及其他自然因素影响下的温度场分布及演化特征,基于昌吉赣高速铁路丰城段CRTSⅢ型无砟轨道板现场实验开展研究,通过传热学的基本原理构建轨道板温度场解析解模型,研究轨道板内温度场的变化。研究结果表明:CRTSⅢ型轨道板上表面与环境温度变化基本同步,下表面与环境温度变化之间存在约2 h滞后;轨道板距上表面约0.12 m的区域内温度波动大,其温度梯度曲线变化最为明显,轨道板下方区域越靠近板底面的温度变化越小,相应的温度梯度曲线也较为平缓;由现场实测数据显示昌吉赣高速铁路丰城段CRTSⅢ无砟轨道板的最大正负温度梯度均出现在夏季,分别为93.3℃/m、-44.1℃/m,对比实测数据,本文所建的温度场解析解模型计算的最大正负温度梯度分别为93.8℃/m、-43.9℃/m,二者计算结果较为接近;基于本文模型,综合考虑不同地区所在省份的差异性,提出了不同地区轨道板正负温度梯度建议值。

高速线材的轧后冷却温度场分析

针对国内某厂风冷区前段增加喷雾冷却装置的Stelmor冷却工艺,分别对快速水冷段、喷雾冷却段、风冷区建立了数学模型,用有限元模拟软件ANSYS模拟了控制冷却时Φ8mm高速线材的温度场。模拟结果与现场实测值吻合较好。

高速大功率电机转子通风孔散热效率优化研究

采用将转子与冷却气体流场实行分离的传统分析方法难以反映转子与冷却气流的热耦合作用,难以实现转子散热效率优化。提出基于流固耦合的高速大功率电机转子系统动态传热特性的分析方法,建立转子系统的流固耦合传热模型。利用建立的模型研究转速、冷却气流入口压力和速度,以及转子冷却孔分布、孔径和轴心距对转子温度场和散热效率的影响规律,提出了优化散热效率的具体途径。结果证明了所提出的计算方法和优化散热效率的具体措施的有效性。

对高速线材生产中控轧控冷的分析

阐述了控冷控轧的原理,分析了高速线材轧制中的加热温度控制、轧前水冷、精轧机内水冷、精轧机组后水冷、风冷线温控等参数的确定依据。

适用于重熔铝锭及废料的高效节能熔铝炉

为提高火焰熔铝炉的热效率,分析了目前常用熔铝炉型的工作原理及结构,找出各自的优缺点,指出火焰熔铝炉充分利用高温炉气是提高热效率的主要方法。针对现有火焰炉加热时局部温度过高、传热受限的弊端,设计了可上下调节、左右摆动的高速烧嘴。运用对流传热的牛顿定律,设计了适用于重熔铝锭及废料的加热与预热同时进行的双层膛火焰炉,增加了高温气流与炉料的接触面积,强化了对流传热的作用。新型熔铝炉充分利用了余热预热炉料和助燃空气,使熔铝炉的热效率提高到55%以上。

冰箱用鼠笼式丝管冷凝器换热性能的实验研究

基于鼠笼式丝管冷凝器周围空气温度场的实验研究结果,为优化空气侧流场和强化换热,对冷凝器结构进行改进,即在冷凝器下游增设了外绕泡沫挡圈以增加通过径向可有效换热的空气流量,同时在其上游最内圈设置泡沫堵芯以减少通过轴向基本不参与换热的空气流量。结构改进前后的实验结果表明:通过对冷凝器结构的改进,冷凝器出口温度降低约0.7℃,开机工作系数减小了2.02%,冰箱耗电量降低了2.37%。实验数据还表明,外绕挡圈和泡沫堵芯能有效减少停机时从压缩机仓和冷凝器下游向冷凝器出口所在的上游扩散的热空气量,有利于下次开机后冷凝器快速散热和降温。

高速线材穿水冷却过程的传热分析及数值模拟

差分计算模型和水冷换热模型是影响高速线材温度计算准确性的两个主要因素。提出了一种新的离散化网格划分方式,并据此推导出具有表面温度节点的一维有限差分模型。采用Fluent软件模拟得出水冷管内冷却水的流速场,结合开冷温度对水冷温降的影响规律,构建了高速线材穿水冷却过程的非线性换热模型,并用现场实测数据验证了模型的精度,误差为±10%。结合差分模型和水冷换热模型研究了预冷段水冷参数对线材表面温降和心表温差的影响。结果表明:该模型可应用于线材水冷参数优化和在线水冷温控等。

高温颗粒下落冷液中沸腾运动过程实验研究

高温颗粒在粘滞性冷液中沸腾蒸发瞬变运动引发蒸汽爆炸的工程安全问题,其流体动力特性与人们熟知的颗粒在粘滞性流体内的运动特性完全不同,是一多相热物理基础问题,涉及的过程和现象十分复杂。利用本实验室设计和建立的研究高温颗粒与冷却剂相互作用的实验装置,通过高速摄影记录小球的下落过程,分别进行了单个、多个粒子在不同温度和不同冷液过冷度条件下的系列试验,获得了下落小球运动过程曲线,从中得出一些有意义的结论,并为进一步研究高速瞬态蒸发传热奠定了实验基础。

对流换热对覆冰导线高频融冰温度分布的影响

根据流体力学的基本原理,应用有限元分析软件ANSYS建立覆冰导线高频融冰时的外流场模型,得到覆冰导线高频融冰时的周围空气流场、压力场分布规律及覆冰导线表面对流换热差异性。分析了高频融冰过程中的热量损失和对流换热的影响因素,通过电磁与热分析,揭示了高频激励融冰过程呈不均匀非对称融冰规律,覆冰导线迎风侧压力大、温度低,背风侧压力小、温度高,表明不均匀对流换热使覆冰导线背风侧先融化,迎风侧后融化。在环境温度和覆冰厚度一定的条件下,覆冰导线外表面温度随对流换热系数的增大而降低。

影响高速电主轴热学特性的有限元优化分析

选择电主轴的油—水换热系统中的换热系数和冷却套厚度两个因素进行研究,建立了对应的热学分析的有限元模型,运用ANSYS Workbench有限元分析软件,分析研究了热稳态下电主轴的温度场分布,并确定了油—水换热系统换热系数及其冷却套厚度这两个因素对稳态时电主轴最高温度影响的灵敏度和优化方案。研究结果表明,油—水换热系统换热系数对电主轴整体的最高温度影响最大,冷却套厚度次之,并得出当其换热系数在[2 800,3 000]W/(m^2·K)时,冷却套的厚度最优选择在4～4. 5 mm,若换热系数在[3 000,3 200]W/(m^2·K)时,冷却套的厚度最优选择4～4. 5 mm,最后经过前后优化后,使得整体最高温度降低1. 8℃。

基于流固耦合的高速电主轴冷却系统分析

针对机床高速电主轴在高速运转中的冷却问题,以某型号卧式加工中心高速电主轴为研究对象,基于流固耦合法,对串并联、单螺旋及双螺旋三种冷却流道结构从流速、压力、温升三方面进行详细对比。另外,为了进一步优化提升流道对电主轴的冷却效率,通过理论计算分析流道内不同初始流速对主轴热平衡后温升影响,以及不同流道几何参数对换热能力和压力损失的影响,并运用Fluent分别对以上两种提升流道冷却效率的影响因素进行仿真分析。研究结果表明,双螺旋结构因其结构的独特性综合对比为最佳冷却结构;主轴散热随流道内初速流速的增加呈现先急后缓,可通过对比选取最佳冷却流速;流道几何参数对换热能力影响较小,但对压损影响较大,提出了综合考虑换热与压损的流道几何参数设计。研究结果为精密高速电主轴在冷却系统的设计提供了一定理论依据。

不同拉速对薄板坯凝固过程及组织的影响

针对薄板坯在凝固过程中容易出现铸坯裂纹、疏松、缩孔等质量问题,以某厂生产的高拉速薄板坯为研究对象,通过建立传热凝固有限元和元胞自动机相结合的CAFE模型,基于ProCAST平台开展凝固传热全过程数值计算,探究不同拉速下的结晶器末端坯壳生长情况、不同拉速对凝固传热过程的温度场和三维凝固组织的影响。结果表明,在不同的拉速下,坯壳在结晶器内不同高度处的厚度差异逐步分化,越是接近结晶器下口,坯壳减薄越发明显。拉速每增加0.2 m/min,结晶器末端的坯壳厚度减薄约0.2 mm,凝固末端液相穴的长度增加0.3 m。拉速提高时,铸坯横截面上晶粒总数目会随之减少,平均晶粒面积也呈现出减少的趋势。