基于数值模拟技术的案例教学与科研实践--组合活塞轻量化及适度隔热研究

以某高强化柴油机活塞为研究对象,采用拓扑优化方法和适度隔热技术来达到活塞的轻量化及隔热要求。将气隙隔热、陶瓷垫片隔热、组合活塞等隔热结构应用于经拓扑优化的铝合金活塞中。选取活塞顶部材料、顶部材料厚度、气隙半径和隔热片当量导热系数这4种主要影响因素进行正交实验设计和极差分析,确定影响活塞温度的显著性因素。采用满意度评价函数对各组合隔热方案进行满意度评估,从中筛选出最优方案,并对其进行热流分配分析和热应力计算。经过多学科协同教学和数值仿真训练,不仅促进了学生对专业知识的消化吸收,而且提升了学生的实践创新能力。

飞行器隔热瓦1200℃性能测试中接触热阻影响仿真与验证

目的 建立统一的飞行器隔热材料性能测试标准。方法 利用数值方法对飞行器隔热瓦1 200℃热环境性能测试中的传热模型进行计算。设计3种不同热导率和表面粗糙度的绝热材料隔热性能对比试验。在考虑接触面间凹凸点完全接触导热、接触间隙介质导热和相邻界面辐射传热联合作用时,能够获得与实测数据基本一致的计算结果。结果 试验证明,接触热阻是导致实测数据与理想传热结果相悖的主要原因。获得了接触热阻条件下热扩散系数随传热过程的变化关系,定量得到了相同测试条件下给定的3种不同热导率与粗糙度底部绝热材料对隔热性能测试结果的影响。结论 测试结果存在较大偏差的主要原因是表面粗糙度所致,两接触面在高温条件下更有利于热流传播。研究结果可为飞行器热防护系统设计与性能考核试验方案的确定提供重要参考依据。

封套材料热反射率试验研究

参照美军标及国内隔热涂料热反射率测试方法,自行设计了试验装置,对DTF-1型封套材料和所设计的新型封套材料进行了热反射率的测试。测试结果表明:新型封套材料的隔热性能优于DTF-1型封套材料。对测试数据进行计算,得到两种材料的热反射率分别为9.6%和30.1%。测试了新型封套材料的反射光谱曲线,利用Matlab软件进行积分,得到其热反射率为31.4%,与测试结果较为吻合。同时,新型封套材料的反射光谱与绿色植被的反射光谱极为相似,说明该材料还可起到一定的伪装作用。

航天器热试验加热电缆绝缘自动测试系统的设计

为实现航天器热试验外热流模拟装置与航天器之间绝缘性能的检测,对加热电缆绝缘自动测试技术进行研究,设计了一套基于PXI的航天器热试验加热电缆绝缘自动测试系统。该系统采用继电器矩阵技术设计了加热电缆输入通道切换装置,基于PXI总线仪器实现了多芯电缆自动扫描以及对地绝缘电阻的测量,并采用VC++6.0开发了系统上位软件。测试结果表明,该系统能够在短时间内完成最多8根加热电缆的对地绝缘检测,结果准确、运行可靠,大大提高了加热电缆绝缘电阻测试的自动化水平。

装药限燃包覆层脱粘和裂缝燃烧故障效应的试验研究

用模拟试验研究各种脱粘和裂缝燃烧对发动机造成的故障效应，为故障诊断和失效分析提供依据。自由装填限燃包覆层装药的脱粘燃烧，造成燃面增大和由于压力升高造成的燃速指数增大效应；具有贴壁的限燃包覆层的装药脱粘燃烧，还会产生极其强烈的侵蚀燃烧效应。浅裂缝燃烧只是造成燃面增大的效应；而深裂缝装药燃烧，还会产生极其强烈的侵蚀燃烧效应。无论是贴壁的限燃包覆层的装药脱粘燃烧或是深裂缝装药燃烧，均会在发动机点燃的初期，产生十分强烈的压力峰，如果燃烧室的安全裕度不是特别大，则会在发动机点燃后的短暂时间内发生爆炸。

环境试验箱隔热结构传热特性的实验研究

环境试验箱是在给定时间内达到+40^-30℃高低温的试验用小型制冷装置(试验箱配有全自动的微机控制系统能完成各项试验的数据记录)。对试验箱围护结构(隔热层)在降温阶段非稳态传热特性进行了实验研究。通过试验数据分析,对隔热层在降温过程的一维大平板非稳态传热问题进行了内部温度场随时间变化关系的讨论,同时对试验箱隔热层随时间变化的放热量进行了分析,对有特殊要求的制冷装置在节能方面的设计提供了一定的参考数据。

翅柱式IGBT水冷散热器的热仿真与实验

为分析翅柱式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)水冷散热器的换热性能,利用Hyper Mesh软件对IGBT元件和完整散热器建立高质量的网格,通过FLUENT软件计算得到了水冷散热器内部槽道的流速分布、IGBT元件与水冷散热器的温度场分布。为验证仿真方法的可行性,建立了水冷测试系统进行温升实验。考虑到IGBT元件不能长时间工作在极限工况,损耗特性与结温互相影响以及内部芯片结温不便测量等问题,实验中采用了自制的模拟热源代替IGBT元件。以实验条件作为输入参数,建立模拟热源与水冷散热器的网格模型并求解计算,对比分析表明水冷散热器安装面上测温点仿真结果与实验数据的相对误差在4%以内。

建筑热反射涂料现场反射率检测研究

太阳反射比是表征建筑热反射涂料的重要指标,由于检测设备体积庞大,多数检测在实验室完成,急需能够在现场即时检测热反射涂料反射率的仪器。通过U-4100分光光度计和便携式分光光度计对试件进行检测,得出:新型研发的便携式分光光度计能够覆盖350～2500 nm波段,可在现场方便地对已施工完毕的建筑热反射涂料进行反射率检测,并能输出反射率数据,为建筑热反射涂料的验收提供了保证。

主动红外法检测保温外墙缺陷的试验与数值模拟研究

在现场试验的基础上,用有限元软件对外墙保温缺陷进行了数值模拟,模拟的结果和试验结果吻合良好。在此基础上,运用数值模拟研究了被动和主动加热情况下不同朝向墙体缺陷的最佳检测时间。结果表明,主动加热方法比被动方法有更强的缺陷发现能力,同时给出了主动加热时刻和加热时间的结果供检测参考。

新型急冷换热器开发

通过对新型急冷换热器进行工艺和结构特性研究、强度试验、有限元应力分析以及CFD模拟,开发出了工艺性能优良、结构安全可靠和裂解气处理量大的新型急冷换热器。

反应堆压力容器保温层辐射屏蔽组件传热计算分析及屏蔽材料试验研究

目的确保华龙一号HPR1000反应堆压力容器保温层辐射屏蔽组件在运行工况下的可靠性、安全性以及能够有效执行其功能。方法采用基于传热理论结合经验公式的理论计算方法,以及流固耦合的有限元仿真分析,对辐射屏蔽组件的运行温度进行计算。针对屏蔽材料在受热状态下的性质变化,进行一系列的热态性质试验。结果理论计算方法得到的结果为163.36~168.74℃,有限元仿真分析得到的结果为236.85~266.85℃,两者偏差约100℃。对造成该种差异的原因进行了分析,发现仿真分析方法得到的结果的置信度更高。屏蔽材料在受热状态下,其体积膨胀率可达到38.82%,而当屏蔽材料受热超过其温度限值204℃后,将出现明显的粉化等物理状态恶化的趋势。结论流固耦合的有限元仿真分析方法更适用于辐射屏蔽组件的传热过程计算,同时获取了屏蔽材料物理性状受热变化趋势,对屏蔽组件的选材及结构设计具有指导意义。

反射隔热涂料在长沙地区的适用性研究

近年来,外墙反射隔热涂料得到了越来越广泛的应用。为了探究其在长沙地区的适用性及节能效果,采取实测和模拟的方法,通过对涂刷反射涂料、保温砂浆的测试房以及普通房的温度对比,验证了反射涂料在夏季起隔热作用而对冬季保温不利;运用EnergyPlus程序对表面吸收系数不同的两栋建筑进行温度和能耗对比,发现夏季反射涂料隔热效果明显,尤其是东、西外墙及屋面;反射涂料可显著降低夏季空调能耗,冬季能耗小幅增加,全年总能耗下降7.8%。

保温隔热涂料热工性能研究

通过理论模拟与实验室测试相结合的方法研究一种新型的反射隔热涂料的热工性能,通过理论模拟与测试,得出该种反射隔热涂料对于建筑节能也能起到一定的作用。

注蒸汽法天然气水合物试采系统高温管路保温设计与试验

基于对天然气水合物分解机理的研究,提出了注蒸汽法开采陆域冻土带天然气水合物。开采原理是通过控制地下水位对水合物层降压的同时,注入高温高压蒸汽对水合物层进行热激发。注蒸汽法试采系统主要包括地表加热装置、地表采气及点火装置和孔内装置。为了提高能量利用率,需对地表和井筒蒸汽流动管路进行保温处理。文章重点对地表蒸汽管路的保温进行设计,首先进行传热理论分析,然后利用ANSYS模拟软件进行数值模拟计算,最终结合现场施工情况,确定蒸汽管路保温层厚为18mm,可以满足保温要求。

JGJ/T 287—2014《建筑反射隔热涂料节能检测标准》解读

介绍了建工行业标准JGJ/T 287—2014《建筑反射隔热涂料节能检测标准》的编制背景、目的,主要技术内容等。标准包括实验室检测和现场检测两大部分,规定了太阳反射比、半球发射率两个主要指标的测试方法和相关仪器的参数要求。

墙体材料蓄放热性能动态测试方法

根据墙体材料在实际环境中的动态热传递,设计了一种墙体材料蓄放热性能动态测试方法:将墙体材料置于热室和冷室之间,对热室环境加热和降温,记录墙体材料表面及室内环境的温度变化,分析墙体材料的热工性能。根据延迟时间、衰减系数、升温和降温曲线等评价了墙体材料的保温隔热性能,对反射隔热涂料复合墙体材料进行了测试。结果表明:该方法能实现在试验室中测试墙体材料的保温隔热性能,并能反映出墙体材料的动态传热过程,具有简单易操作,试验结果可靠的特点。

深水高温高压井隔热测试管柱技术

现有的深水油气井完井技术施工中通常会将部分完井液圈闭于套管环形空间内,进而在深水测试作业时圈闭流体受高温高压产层热流体的影响而产生井筒附加应力。为消除附加应力对井筒完整性造成的损害,设计了一种应用隔热管进行深水油气井生产测试的圈闭压力控制技术。依据南海深水高温高压井的典型井身结构,构建了测试过程的深水井筒热传导模型,通过基于典型井的井筒传热数值计算,分别对常规测试管柱结构及隔热油管测试管柱结构进行了圈闭环空温度场的数值模拟、圈闭压力计算。研究表明,深水高温高压油气井测试过程中,应用隔热管的测试管柱复配技术,可有效降低高温高压产层流体对套管圈闭空间的附加应力影响,避免了井下事故的发生。该技术为深水高温高压油气井的安全高效测试作业提供了一种新的有效方法。

航空发动机涡轮机匣传热分析技术研究

通过数值仿真和基础试验系统研究了涡轮机匣的传热特点,建立了高压涡轮机匣传热分析方法。总结机匣传热分析的主要技术环节,开展了机匣关键部位的CFD流动换热数值分析,给出了机匣表面换热分布规律,通过换热试验修正了机匣表面换热分析方法;通过机匣的过渡态温度分析,建立了涡轮机匣传热分析工程方法。

城际列车车体围护结构隔热性能仿真计算及实测分析

列车内的环境舒适性不仅取决于空调机组的运行效果,同时取决于车体围护结构的隔热性能。以某城际列车为对象,应用计算流体动力学(CFD)对车体围护结构的部分典型截面的传热系数进行数值计算,并通过试验对该截面的传热系数进行测试。通过仿真计算及实测分析,确定该车体围护结构的隔热性能满足隔热要求。通过仿真计算与实测分析结果的对比,发现两者误差在10%以内,说明围护结构传热性能的仿真计算结果是可信的,具有较好的参考意义。

基于热力学试验和数值方法的非线性衬里材料性质

通过物理试验和数值试验对衬里材料热-力学性质进行研究。对工业上测定高温、内压作用下的大型衬里设备材料导热系数时不能有效模拟环境载荷及升保温控制的问题,设计实际可行的室内升保温试验,对衬里材料在设备高温运行状态下导热性质进行研究。通过力学试验研究衬里材料力学性质和强度破坏形式,讨论衬里材料力学性质随围压的变化规律。将物理试验参数下的耦合数值试验结果与规范对比。研究结果表明:室内升保温试验和力学试验可作为衬里材料传热特性和力学性质参数获取的方案,为数值试验模拟实际工况提供数据支持;当金属质量分数升高时,同等围压条件下的衬里材料抗压强度有明显提高;当金属质量分数一定时,衬里抗压强度随着围压的增大而提高;随着围压增大,衬里弹性模量和本构曲线的斜率都增大,应力极值也相应提高,且在达到应力峰值后,轴向应力平缓下降,径向应力则逐渐趋于平稳;衬里层整体内侧受压,外侧受拉,具有应力不对称特征。物理试验与数值试验相结合是研究衬里材料热-力学性质的有效方法。