热惯性对热弹性行为影响的渐近分析

当热作用时间或受热器件结构尺寸呈现微尺度特征时, 热流运动的惯性效应将对热量的传递过程产生显著地影响. 基于热质的概念, 依据牛顿力学原理引入用于描述热质运动的热波方程, 结合各向同性材料的本构关系, 构建了计及热流运动惯性效应的广义热弹性动力学模型. 利用超常传热的微尺度特征, 采用解析的方法对半无限大体外表面受热冲击作用的一维问题进行了渐近求解. 通过对热波、热弹性波的传播和各物理场分布的分析以及与已有广义热弹性理论预测结果的对比, 揭示了热流运动的惯性效应对热弹性行为的影响. 结果表明：热量的传递除了受到热流加速的时间惯性影响之外, 热流运动的空间惯性也对传热行为产生影响, 当计及空间惯性时, 热波、热弹性波的波速、波前位置, 各物理场的建立时间、阶跃峰值及阶跃间隔均受到不同程度的影响. 关键词： 热惯性 热质运动 广义热弹性动力学模型 渐近分析     

基于热质理论的热波传递现象研究

基于热质的概念应用牛顿力学原理建屯了热质输运的控制方程,推导得到了普适的导热定律.在惯性力可以忽略时它即退化为傅立叶导热定律,反映出非傅立叶导热现象的本质是热质的惯性引起的.当热流和温度对空间的惯性以及温度对时间的惯性可以忽略时,所得到的导热定律可以退化为CV模型.对热波传递的数值分析表明:当热扰动和热流都比较小时,热流在空间加速的惯性可以忽略,基丁热质理论的热波方程和CV模型符合得很好;但是,在描述较大的热扰动时,由于热流的空间加速惯性不能够被忽略,CV模型的结果在两个温度波峰叠加时会出现负温度的非物理现象,而基于热质理论的普适导热定律的结果则克服了这一缺陷.     

热质的运动与传递-微尺度导热中的热质动能效应

基于热质(热量的当量动质量)的概念,通过建立和分析热质的运动方程得到了反映热质动能变化的稳态导热微分方程,表明Fourier导热定律只有在热质的动能变化相对热质势能变化很小而可以忽略时才成立;在高热流密度和低温的情况下热质的动能变化不可忽略,这种动能效应表现为热流密度和温度梯度不再成线性关系.动能效应也导致Fourier导热定律不能通过热流和温度梯度准确地获得物体的导热系数,本文基于热质运动方程给出了导热系数动能效应的修正式.最后针对高热流密度和低温一维稳态导热进行了分子动力学模拟验证.     

基于热质运动概念的普适导热定律

根据爱因斯坦的质能等效关系式,热能具有的等效质量称为热质,从而在固态和气态介质中分别建立了声子气质量和热子气质量的概念.应用牛顿定律建立了含有驱动力、阻力和惯性力的热质(声子气或热子气)运动的动量守恒方程.由于热量在介质中的传递本质上就是热质(声子气和热子气)在介质中的运动,所以热质动量守恒方程就是普适的导热定律,能够统一描述各种条件下的导热规律.当热流密度不是很大从而热质惯性力可以忽略时,热质动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律,这表明傅里叶导热定律是特殊条件下的导热定律,对于微纳尺度条件下的导热,热流密度可以极高,由速度空间变化引起的惯性力不能忽略,在稳态导热情况下也将出现非傅里叶导热,此时在计算或者实验中不能用热流密度除温度梯度求导热系数.在超快速加热条件下,必需考虑惯性力,与基于CV导热模型的波动方程相比,普适的导热定律增加了因速度空间变化引起的惯性力项,所以在介质中热波叠加时不会出现产生负温度的非物理现象,表明基于热质运动概念的普适导热定律更为合理. 关键词： 傅里叶导热定律 普适导热定律 热质运动 非傅里叶导热     

稳态导热中的非傅立叶效应

基于热质与热质势的概念,研究了稳态条件下的导热规律.结果表明:热量在输运过程中受到来自热质势场的驱动力以及来自介质的阻力,当两者平衡时,热量的输运规律满足傅立叶导热定律;当惯性力不能被忽略从而两者不平衡时,热量将被加速,热流密度和温度梯度之间的线性关系不再成立,表现出明显的非傅立叶效应.用数值模拟定量地研究了非傅立叶效应对稳态导热过程的影响.     

基于热质理论的Hamilton原理

基于热质理论,类比经典力学,给出了热质运动遵循的Hamilton原理以及相应的导热Lagrange方程.由于考虑了热质动能,热质运动的Hamilton原理有望应用于非Fourier效应的讨论,在忽略热质动能时,回归到Fourier热学.应用Lagrange方程对含内热源一维瞬态导热问题进行了近似求解,计算结果与解析解符合较好.从分析力学的角度对传热理论以及热学与力学的统一做了新的阐释,指出了现有文献中采用分析力学方法讨论导热问题时存在的某些不足,为导热问题的近似求解提供了新的思路,同时也说明了热质和热质能     

热质的运动和传递-热子气的守恒方程和傅立叶定律

本文在热质和热子气概念的基础上建立了热子气的质量、动量、能量守恒方程.基于傅立叶导热定律求得了热子气粘性系数和粘性力的近似表达式.分析了傅立叶定律的物理意义:傅立叶定律是在忽略惯性力的条件下对热子气动量方程的近似.在极低温度或极高热流密度条件下傅立叶定律不再适用.     

空间屏打孔多层隔热材料热计算模型

分析了空间屏打孔多层隔热材料中导热和辐射的复合传热问题,在一定假设的基础上,根据反射屏能量平衡方程,建立了反射屏稳态温度计算模型和投射辐射数值分析模型。结合AD I法,对两个方程组进行迭代求解,得到材料屏间投射辐射热流和反射屏的温度。将文中模型的预测结果与文献中实验值进行比较,验证了模型在工程上应用的可行性。同时分析了当量导热系数、各种热流以及内部温度分布随层密度的变化规律,对材料的优化设计具有积极的指导意义。     

热动力学问题的数值计算

 对含热传导的流体动力学方程组，用有限元方法进行数值求解。采用傅里叶热传导计算热流、用热流连续条件计算单元间接触面的温度、用三角形传热法计算体单元表面的热流，考虑各向同性弹塑性流体材料模型、三项式物态方程和导热系数与状态的相关性，给出了傅里叶热传导、接触传热、热应力应变效应、以及混合物冲击压缩特性等算例。对混合物冲击温度的数值模拟表明，小颗粒混合物在冲击压缩过程中，颗粒间的温度有差别、稍有波动，并随时间趋向于一致，以至热平衡。     

导热优化:热耗散与最优导热系数场

本文讨论了通过重新布置场内的导热系数分布来强化热传导的导热优化问题。针对边界上传热量一定的任意几何区域的稳态导热,在全场的导热系数积分为定值的条件下,以最小热耗散作为目标,利用变分方法导出了导热优化的基本准则;导热系数与局部热流密度成正比。该准则指导下的导热优化过程可获得热耗散最小的导热系数分布。实例证明了该方法是有效且合理的。     

热辐射演示实验的再改进

分析了热辐射实验的原理,提出了使用玻璃密封系统和用电热炉作热源的改进方案.     

纳米流体介质导热机理初探

纳米流体导热行为具有许多奇异的特性，结合纳米流体的特点和微尺度传热学原理，研究了 热流在纳米颗粒内波动式及非限域的热传导特性、纳米颗粒在悬浮液内的布朗运动、颗粒- 液体界面上液膜层原子的有规则排列、以及纳米颗粒的团簇形成及移动等四方面因素对纳米 流体导热系数的影响. 关键词： 纳米流体 导热     

冲击波后温度测量的理论问题

 本文讨论了冲击波后温度弛豫的理论方法。和R. Grover及P.A. Urtiew不同，采用了非傅里叶热传导理论，结果和实验十分符合，而实验结果用傅里叶热传导理论是无法解释的。当时间趋于无穷时，这两种方法的结果又趋于一致，文章中作了物理原因的解释。     

ILC正电子源靶接触热传导冷却技术的初步研究

国际直线对撞机（ILC）正电子靶沉积的热功率将超过20 kW,传统的冷却方式已无法满足要求。美国Argonne国家实验室提出了摩擦接触热传导冷却的方法。根据Argonne实验室的研究方案,设计了一种旋转摩擦接触冷却的简化装置,根据热传导理论,结合ANSYS软件模拟了旋转冷却过程中的温度分布,理论上验证了方法的可行性。按照模拟的参数和结果,进行了摩擦接触热传导冷却实验,通过实验结果和数据分析证实了,低温区（20℃~50℃）有良好的冷却效应,初步验证了摩擦接触热传导冷却方案的有效性。A new scheme that cooling international Linear Collider (ILC) positron source target by touching thermal conduction (TTC) is presented by Argonne National Laboratory (ANL).Recent results of simulation for cooling the iron targets with 300 and 450 W heat reservoir by ANSYS and experiment of cooling the iron target with 300 and 450 W friction heat reservoir at Institute of Modern Physics (IMP),Chinese Academy of Sciences (CAS),have proved that the TTC has good cooling effect in low temperature zone (20℃~50℃),and preliminarily verified the feasibility of TTC for cooling the ILC positron source target.     

热功当量实验中水的终温修正的研究

本文通过对量热器中水的传热过程的理论分析和实验比较,证明应该用牛顿冷却定律修正量热器中水的终温。     

瞬态热传导问题的一阶对称SPH方法模拟

为提高传统光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法模拟瞬态热传导问题的精度和稳定性,本文提出了一种一阶对称光滑粒子动力学(first order symmetric SPH, FO-SSPH)方法.该方法将具有二阶热传导方程分解成两个一阶偏微分方程,然后基于梯度离散和Taylor级数展开思想,对一阶核梯度形式进行修正,并将得到的局部矩阵对称化.数值结果表明:与传统SPH方法相比,FO-SSPH方法精度高、数值稳定性好; 该方法能较准确地直接施加混合边值 关键词： 瞬态热传导 光滑粒子动力学 非线性     

分形多孔介质中的热传导

本文将多孔介质视为由骨架和空隙组成的二元混合介质,研究了多孔介质中的热传导过程,发现分形结构中的导热规律与孔隙的分布有关,存在着与实体导热完全不同的特征。计算表明,分形介质中的导热过程除了与基质(骨架)的分形维数有关外,还与基质率以及反映介质中热量传递动态过程有关。     

含对流与蒸发表面的有限厚度材料的双曲型热传导分析

本文对于含有对流与蒸发表面的有限厚度材料,在遭受一脉冲表面热流作用时的双曲型热传导进行了分析,采用热势函数描述的双曲型热传导方程来描述该问题,并用有限差分法进行数值求解．同时,本文还就表面对流与蒸发对材料表面与内部瞬态温度变化的影响以及材料双曲型热传导对表面蒸发的影响进行了分析．     

波面热畸变自校正型板条增益介质的瞬态温度分布

提出一种新的激光增益介质板条抽运结构,这种结构能对由激光增益介质板条温度分布不均所造成的波面热畸变实现自校正,并建立了这种抽运结构下激光增益介质板条的瞬态温度分布理论模型,通过解热传导方程,推导出板条增益介质的瞬态温度分布的解析表达式。同时对抽运参量分别为抽运脉冲能量为5.8×104J、抽运重复频率为2Hz和抽运脉冲能量为3.2×104J、重复频率为10Hz两种情况下两种下N-31型钕玻璃板条的瞬态温度分布分别进行了数值计算,分别给出两种情况下10s内和60s时钕玻璃板条的温度分布图并对结果进行了分析和对比,表明采用这种抽运结构的增益介质板条激光器可以以类似热容激光器的方式在短时间内实现高平均功率、高光束质量运转。