一种模拟热导率的非平衡分子动力学方法

提出一种计算热导率的非平衡分子动力学(NEMD)方法,通过构造均匀内热源获得抛物线形温度分布,并基于Fourier导热定律计算热导率,与Müller-Plathe发展的反扰动非平衡分子动力学(RNEMD)方法相比,不仅具有能量动量守恒和收敛性好的优点,还克服了常规NEMD方法中热冷源区域存在局域热力学非平衡的问题,并有模拟系统温差影响小的特点.对液态氩的热导率进行模拟并与RNEMD方法的模拟结果进行对比.

热子动力学模拟方法

提出热子动力学模拟方法,以理想气体中的热质粒子即热子为模拟对象,建立热子间的碰撞模型,统计可获得热子气系统的热力学性质,实现对热质的直接模拟.基于该方法,对氩热子气的平衡态系统和非平衡态系统进行模拟计算,模拟计算的热子气的状态方程同理论表达式一致,准确得到了氩气热导率在微纳尺度下的变化规律,验证了热子动力学模拟方法的可行性.

势能模型对石墨烯导热性质分子动力学模拟的影响

针对常用的Tersoff势、Rebo势和Airebo势,系统性地分析势能模型对分子动力学模拟计算石墨烯色散关系、声子态密度、群速度和热导率的影响.结果表明:Rebo势和Airebo势描述的声子色散关系接近实验值,Airebo势对应的声子态密度与第一性原理计算的结果较为符合,Rebo势和Airebo势计算的Γ点处声子群速度高于Tersoff势.采用Airebo势得到石墨烯热导率约为1 150 W·(m·K)-1,与实验值相近.综合各种影响,相比于Tersoff势和Rebo势,Airebo势能模型更适合计算石墨烯的导热性质.

单根沥青基炭纤维热导率的温度特性研究(英文)

采用"T"形法测量了温度100K^400K范围内单根沥青基炭纤维的热导率。结果表明,在300K以下,由于边界散射的影响,炭纤维热导率随着温度升高而增大,350K左右渐趋于饱和,对应热导率约为800W/(m.K),400K附近热导率又增大至920W/(m.K)。在不改变接触点的前提下,通过测量同一根纤维不同长度对应的热导率,估计了炭纤维与热线节点处的接触热阻,并讨论了不同温度下辐射对热导率测量的影响,最后得到热导率的测量不确定度在±13%以内。

防腐蚀抗结垢的肋片管式塑料换热器性能分析

利用塑料材料制作换热器可以有效克服金属换热器中的腐蚀问题,但是塑料的导热系数较小,对于换热性能有一定影响。目前已有导热系数达到20 W/(m.K)的导热塑料。分析比较了结构和尺寸相同的铜、不锈钢和高导热塑料的肋片管换热器的性能差别,发现利用高导热塑料制作的换热器换热性能可以接近铜换热器,而与不锈钢换热器性能基本相同。如果进一步考虑塑料换热器具有抗结垢的特性,塑料换热器与金属换热器之间的换热性能差别将更小。结果表明,高导热塑料换热器在防腐蚀工程中具有一定的应用前景。

纳米Pt膜的晶粒尺寸及其对热导率的影响

采用电子束-物理气相沉积法(EB-PVD)制备了6个厚度为15-62 nm的铂薄膜,研究了纳米薄膜的晶粒尺寸及其对热导率的影响规律．当薄膜厚度小于30 nm时,晶粒平均尺寸接近于薄膜的厚度;晶粒尺寸随着薄膜厚度的增加而增大并趋于定值;当薄膜厚度大于30 nm时,晶粒尺寸约为20 nm．受薄膜的表面和内部晶界的综合影响,铂纳米薄膜的热导率大大低于体材料的值,并且纳米薄膜的热导率随着薄膜厚度的增加而增大并趋于一个低于体材料热导率的值．

多壁碳纳米管热物性参数的理论计算

本文计算了多壁碳纳米管的声子色散关系,分析了多壁碳纳米管的声子振动模式和热物理性质.结果表明:多壁碳纳米管的层间相互作用使得声子频率升高,因而使得比热容和热导率降低.在极低温区层间相互作用对热物性参数的影响明显.对于(5,5)@(10,10)管,不考虑层间相互作用时热导率的计算值在10 K处可相差60%.随着层数的增加,多壁管热导率值降低,并且趋向定值。

多约束纳米结构的声子热导率模型研究

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要.理论和实验都表明,在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应.基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型,可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应.不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算,总体影响则通过马西森定则进行耦合.对于热流方向的约束,采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程;对于侧面边界约束,采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响.得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化.与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.

微纳尺度体点导热的拓扑优化

体点导热问题是电子器件散热优化方面的基础问题之一,已有研究大多建立在傅里叶导热定律的基础上,但随着电子器件的特征尺度降低到微纳米量级,导热优化需要考虑非傅里叶效应.本文结合声子玻尔兹曼方程的数值解和对声子平均自由程进行插值的固体各向同性材料惩罚方法,发展了微纳米尺度下弹道-扩散导热的拓扑优化方法.在弹道-扩散导热机制下,体点导热的拓扑优化得到的材料分布明显不同于扩散导热下的树状分布,且会随努森数的变化而变化,与拓扑优化的插值方式和声子弹道输运有关.随着弹道效应的增强,尺寸效应使得材料分布中微小结构的等效热导率低于粗壮结构,因而拓扑优化结果朝着增多粗壮结构、减少微小结构的方向发展.弹道效应足够强时,填充材料聚集在低温边界附近,主干和枝合并,呈团状分布.

球形空腔内气液两相毛细压力与饱和度的关系

毛细压力与饱和度的关系是多孔介质多相流最基本、最重要的关系之一。综述了毛细压力与饱和度关系的研究现状,列举了多种毛细压力与饱和度关系模型,展现了Leverett-J函数的发展历程。在此基础上以单个球形空腔内气液两相流体为研究对象,依据几何分析推导得到了固液接触角分别为10°、30°、60°和90°时毛细压力随饱和度的变化关系,计算结果与文献中的实验结果具有相同的变化趋势,从而很好地说明了毛细压力与饱和度关系曲线的变化特征。

缺陷对石墨烯热传导性质影响的模拟研究

石墨烯作为新型高导热材料,在微器件散热领域具有极大的应用潜力。本文通过第一性原理计算分别研究了N、O修饰及N掺杂等三种类型缺陷对石墨烯热传导性质的影响。结果表明,添加缺陷后石墨烯热导率降低程度为N修饰>O修饰>N掺杂,三种缺陷下室温热导率分别为60.7 W/(m·K)、81.2 W/(m·K)和2180 W/(m·K)。添加缺陷后低频声子弛豫时间显著降低,石墨烯晶体的严格周期性排列被破坏而造成的声子散射率增加是热导率大幅下降的主要原因。

飞行器能源与热管理系统中多能流统一建模与分析方法

能源与热管理系统的综合集成优化设计是充分提升飞行器性能的关键技术之一。然而,由于热管理、电源等子系统的传统分析方法存在差异,导致整体集成设计的复杂度大。基于热力系统分析的热量流法,建立了电量、热量、工质的规范化传输网络模型,提出了热管理、电源等子系统间的数据交互方法,形成了飞行器能源与热管理系统的整体建模分析方法。计算结果表明,该方法在确保准确性的前提下,计算耗时比商业软件AMESim低近2个数量级。通过对给定飞行剖面的系统进行变工况仿真,计算出了在满足温控的需求下,单次任务目标所需的相变工质携带量为348.8kg,机载蓄电池所需的最低初始电量和容量为1837、3158W·h。因此,所提出的方法可用于飞行器轻量化的定量优化。

亚/超临界航空煤油热物性的实验测量

高超声速飞行器中,航空煤油从液体转变为亚/超临界流体,热物性发生剧烈变化,热物性经验公式不再适用。本文实验测量了300~750 K、3.5~10 MPa范围内的亚/超临界航空煤油的热导率和黏度,研究了温度、压力对其热物性的影响规律。分别采用瞬态短热线法和毛细管法测试亚/超临界航空煤油的热导率和黏度,发现热导率随温度升高先减小后增大,随压力升高而增大;而动力黏度随温度升高而减小,变化趋势随温度升高而变缓,且基本不随压力变化。

基于(火积)理论的热系统分析和优化的能量流法

熵产、炳损最小等准则函数法及传统能量流法是热系统性能优化的常用方法,但这些方法难以整体揭示热系统中的部件特性和拓扑特征,增加了系统整体分析和优化的难度。本文基于(火积)理论,利用流体进口温差(或算数平均温差)为特征温差重新定义了换热器的热阻,揭示了热量输运中驱动力和阻抗的本构关系,提出了换热器稳态性能分析的能量流法。在此基础上,针对双回路热管理系统,根据其拓扑特征及换热器的热阻构建了系统的能量流模型;基于基尔霍夫定律,揭示了系统中包含传递和输运两种阻力的热量整体输运规律。最后,应用拉格朗日乘子法优化该系统,获得了系统中换热器的最小总热导及热容量流的最佳分配,说明了本文基于(火积)理论提出的新能量流法在热系统分析和优化中的先进性。

生物燃料对金属腐蚀的试验研究

调研了生物燃料腐蚀性的研究现状和生物燃料现有产品的生产标准,在此基础上通过金属浸泡试验初步研究了常温下生物乙醇和生物柴油对7种常见金属材料的腐蚀性。结果表明:铝合金在生物乙醇中出现腐蚀斑,碳钢和铸钢在生物柴油中出现点蚀。试验中的腐蚀现象符合现有的金属腐蚀机理。在应用生物燃料时应注意它们对材料的腐蚀并采取必要的预防措施。

地表温度对风场模拟的影响

风电场微观选址的一个重要方面是风场的计算。在实际情况中,由于日晒、地表辐射等原因,地表与空气之间存在温差。当地表温度高于空气温度时,温差引起的自然对流会影响地表附近的流动。基于k-ε湍流模型,对多个地形、不同风速、存在温差和不存在温差下的流场进行了模拟、对比,对不同情况下温差的影响进行了讨论。结果表明,在平坦地形、低风速情况下地表温度对流场影响较大,而在复杂地形、风速较高的情况下,地表温度影响较小甚至可忽略。

散裂中子源靶体散热系统的流场优化设计

冷却水是散裂中子源靶体散热系统的重要组成部分之一,但其在钨靶狭缝出口处形成的不稳定漩涡会对靶体系统的正常运行产生负面影响.本文应用流体流动的场协同理论,获得了流速分布均匀且无漩涡的最佳流场,并以此为指导,对冷却水流道的几何结构进行了优化设计.结果表明:冷却水在优化设计后的流道结构中流动时,漩涡尺寸减小,涡量、速度和压力随时间的脉动基本消失,并且在每个并联狭缝内的冷却水流量均匀,能够在满足靶体散热需求的前提下,有效地提升靶体系统的运行稳定性.

纳米孔模板浸润法制备聚乙烯纳米线阵列的热导率的实验研究

采用纳米孔模板润湿技术制备了直径为200 nm的低密度聚乙烯(LDPE)纳米线阵列,并利用纳秒激光闪光法测量了20—80℃时LDPE纳米线阵列的热导率.测量得到室温时LDPE纳米线阵列的热导率为2.2W/mK,大约比其体材料的热导率高1个数量级,并且纳米线阵列的热导率随温度的升高略有增加.忽略纳米线之间的声子散射.估算得到室温下单根LDPE纳米线的热导率高于5 W/mK.本文制备LDPE纳米线热导率的提高源自其分子链定向度增加导致的低维导热效应的增强,纳米线的分子链定向度受工艺过程中流体剪切、振动、分子链迁移运动、纳米孔约束等几种因素的综合影响.

余热回收发电系统的能量流模型及优化

由于对能源高效利用的迫切需求,余热回收系统得以广泛应用。传统的热系统建模方法引入大量的中间变量,加剧了其性能优化的复杂度。本文构建了余热回收发电系统的等效能量流模型,结合电路原理阐明了热量传递与转换的整体规律。分析工质流动的压差特性建立了闭式循环的动/阻力平衡方程,定量描述了回路中的压力分布。通过温度与压力间的制约关系厘清了工质流动与热量传递与转换间的耦合影响,引入少量中间变量明确了系统运行参数间的内在物理联系。在此基础上,以最大化净功量为目标,对系统在变工况条件下的运行参数进行了优化匹配。结果表明,余热烟气的参数变化显著影响到系统的最优运行状态,而工程中的定背压运行策略易限制系统的经济性。

可逆热力学中的对称性

对称性思想在物理学研究中具有重要地位.然而,现有热力学文献中的内容大都是非对称的概念和特性.如热力学第二定律表明即使在可逆的热力正循环中,输入系统的热量也不能全部转换为功量,由此认为功量的品位高于热量.对于正循环,采用效率作为性能判据;对于逆循环,则采用性能系数(coefficient ofperformance,COP)作为性能判据.根据对称性思想,可望存在与热力学第二定律及与之相关的原理、定律、性能判据和参数等相对称的另一组原理、定律、性能判据和参数.它们包括逆循环的基本原理、逆循环的转换等价定律、功熵与功拥、逆循环的功效率和正循环的性能系数等.它们有助于深入理解某些热力学量在热功转换过程中的物理意义,以及提出性能更好的新形式热力逆循环.