粗糙热传导表面下激光介质的热效应

在考虑激光介质与热沉不完全接触导热的情况下,用面热源自适应调整算法计算了激光介质的温度场,研究了其热效应.表面附近相位差存在起伏且深入一定深度使热效应复杂化.随抽运功率的增大,表面附近相位差的起伏增强,而起伏深度变化不明显;接触面积增大,相位差起伏减小,起伏的深度有所减小.抽运功率较小时,热致衍射损耗随抽运功率的增大近似线性增大,高斯光半径越大,增大的斜率越大,当抽运功率增加到一定程度时,热致衍射损耗增大的趋势减缓,半径大的减缓较明显.在抽运光功率变化范围内,半径大的高斯光热致衍射损耗大于半径小的.高斯光半径较小时,接触面积对热致衍射损耗的影响不明显,当高斯光半径较大时,接触面积减小热致衍射损耗增大.     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型。采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性。研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响。分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距。计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距。     

LDA侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应分析

 在高斯光强近似下对泵浦LD光强分布模型进行修正，建立了LDA侧面泵浦固体激光介质内热源分布的数值模型。用有限元法计算模拟了三角均匀分布侧面泵浦结构激光棒瞬态温升过程及稳态温度分布情况。讨论比较了泵浦源的高斯强度近似和均匀强度近似下激光棒内温度分布情况，并对激光棒的类热透镜的焦距进行实验测量。实验和数值计算说明了LDA泵浦结构和冷却场的非均匀分布使实际温度场偏离均匀泵浦时的二次曲线分布模型，激光晶体热效应产生的类透镜会聚作用的不对称导致了激光器输出光束质量在x，y方向上的不同。     

太阳光抽运固体激光工作物质的研究

探讨了适合太阳光抽运的固体激光器工作物质的选择方法,并分析了几种备选工作物质的性质。用Matlab对太阳光谱的现有数据进行了三次样条插值运算,建立了太阳光谱的局部精细离散化模型,并结合红宝石、Nd∶YAG、Yb∶YAG、Nd∶YVO4、Cr∶Nd∶GSGG、掺Nd3 的光学陶瓷和掺Yb3 的石英光纤等激光介质的吸收光谱,进行了太阳光谱与激光介质吸收谱的匹配分析。得出各激光介质所吸收的能量占太阳常量的百分比分别为24.51%,15.98%,2.35%,6.46%,43.91%,15.98%,7.63%。并在一定假设条件下,计算了各介质的阈值抽运功率体密度。综合以上激光介质的材料热特性,选取对太阳光吸收较多,阈值低且热特性好的Nd∶YAG,掺Nd3 光学陶瓷,Cr∶Nd∶GSGG为较适合的太阳光抽运激光工作物质。     

激光二极管抽运单/双增益模块的液体激光系统性能对比

单增益模块的无机液体激光体系在通过流动循环散热时,也导致抽运区域的增益介质在流动方向上产生了热梯度.而双增益模块的液体激光系统既能有效地散热,同时也避免了流动方向的热梯度,具有较好的性能.采用数值计算方法模拟了同样增益长度的单、双增益模块系统的热特性和输出激光的远场光斑分布,并进行了对比分析.结果表明双增益模块液体激光系统的性能明显优于单增益模块系统:远场光斑的峰值强度提高一个数量级,能量集中度和光束质量均得到明显的提高.     

基于侧面热对流的LD泵浦Yb:KGd(WO4)2热透镜效应研究

基于对LD端面泵浦Yb∶KGW激光晶体工作特点的分析,建立了符合条件的激光晶体热模型.考虑晶体侧面的热对流,运用MATLAB和FORTRAN软件,通过有限差分法求解各向异性介质热传导方程,得到了该晶体的温度场分布、端面热形变分布和不同泵浦功率下的热焦距.结果表明:在泵浦功率为14 W时,泵浦面最高温度达272.8℃、最...     

第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd∶YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd∶YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明：当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd∶YVO4晶体（晶体掺钕离子质量分数为0.5%）时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

第三类热边界条件对激光晶体热效应的影响

以各向异性半解析热分析理论为基础,研究矩形横截面Nd:YVO4激光晶体在有第三类热边界条件工作时,激光晶体温度场分布和晶体抽运面热形变分布.通过激光晶体工作特点分析,建立符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的半解析求解方法,得出了矩形截面Nd:YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明:当使用输出功率为15 W半导体激光器端面中心入射Nd:YVO4晶体(晶体掺钕离子质量分数为0.5%)时,在抽运端面中心获得499.5 K最高温度和0.99 μm最大热形变量.和将第三类热边界条件近似为第二类热边界条件的通用做法相比更准确.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器时变热效应分析北大核心CSCD

建立了激光二极管阵列(LDA)侧面泵浦棒状Nd:YAG增益介质时变热效应理论计算模型。采用有限元Ansys软件模拟分析了脉冲LDA侧面泵浦大能量固体激光器的时变热效应特性。研究结果表明,所研究的脉冲LDA侧面泵浦大能量Nd:YAG激光器热效应具有时变特性,介质横截面内中心点处的稳态温度场分布随时间呈锯齿形周期变化,锯齿形变化频率为LDA泵浦频率,脉冲LDA泵浦参数对介质稳态温度场分布有较大影响。分析和计算了介质内热梯度、应力双折射以及激光晶体端面效应等导致的晶体热透镜焦距。计算表明,介质的热焦距主要来源于介质内温度梯度引起的热透镜焦距。     

测定双层组合介质接触热阻

 当激光辐照双层固体组合介质的外表面时，在变物性及界面接触热阻不变的条件下，数值计算了介质内部温度场时空分布。实验测定该双层介质背面对应点的温度曲线，与数值计算的结果进行比较，从而确定介质界面间的接触热阻。     

平板在任意周期表面热扰动作用下的非Fourier热传导的求解与分析

分析了平板前表面遭受任意周期热扰动这类非Fourier传热情形下的温度响应. 采用双曲型热传导方程描述平板表面温度急速变化时的热传导问题. 为求解此类方程, 首先 利用分离变量法和Duhamel积分原理, 得到了平板前表面遭受突变热流和简谐热流两种情况下的解析解.然后, 在此基础上应用Fourier级数展开法和叠加原理, 获得了平板前表面热流任意周期变化时非Fourier热传导下温度场的解析表达式. 利用得到的解析表达式进行数值模拟, 分析了不同热松弛时间、 不同时刻和不同位置对温度响应的影响, 讨论了非Fourier热传导模型所给出的温度响应与Fourier热传导模型的差别. 这种方法能够处理许多在生产实际中具有周期边界条件的非Fourier热传导问题. 关键词： 非Fourier 热传导 周期变化 温度响应 平板     

导热几何形状反演的变分原理及边界条件的确立

本文采用变域变分原理,建立了导热几何形状反演问题的变分原理,同时获得了该问题所需满足的边界条件和附加条件.该变分原理能将未知形状的几何变量及控制方程结合在一个变分泛函中,使得数学描述简洁、紧凑,且几何变量及控制方程的求解能耦合地进行.介绍了运用该变分原理并结合有限元方法进行数值计算的方法. 关键词： 几何形状反演 变分原理 有限元 导热     

Thermal dynamics in the flux-coordinate independent turbulence code GRILLIX

GRILLIX employs the flux-coordinate independent approach (FCI), which allows us to study boundary plasma turbulence in realistic diverted configurations. Recently, the physical model in GRILLIX has been extended to a global drift-reduced Braginskii model, without any separation between background and fluctuations. It includes electromagnetic and thermal dynamics with hot ions, relaxation of the Boussinesq approximation and non-linear parametric dependencies. This contribution presents solutions to associated issues, that is, the ion diamagnetic polarization and the stiff parallel heat conduction. Simulations based on parameters characteristic for the Alcator C-Mod tokamak were carried out. In circular geometry, the self-consistent electric field contains zonal flows and geodesic acoustic modes in the confined region. In the scrape-off layer, the electron parallel heat conduction and its boundary condition determine the temperature and electric field, leading to sheared flows at the last closed flux surface.     

Numerical analysis of uncertain temperature field by stochastic finite difference method

Based on the combination of stochastic mathematics and conventional finite difference method,a new numerical computing technique named stochastic finite difference for solving heat conduction problems with random physical parameters,initial and boundary conditions is discussed.Begin with the analysis of steady-state heat conduction problems,difference discrete equations with random parameters are established,and then the computing formulas for the mean value and variance of temperature field are derived by the second-order stochastic parameter perturbation method.Subsequently,the proposed random model and method are extended to the field of transient heat conduction and the new analysis theory of stability applicable to stochastic difference schemes is developed.The layer-by-layer recursive equations for the first two probabilistic moments of the transient temperature field at different time points are quickly obtained and easily solved by programming.Finally,by comparing the results with traditional Monte Carlo simulation,two numerical examples are given to demonstrate the feasibility and effectiveness of the presented method for solving both steady-state and transient heat conduction problems.     

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．     

Analysis of the Properties of Fractional Heat Conduction in Porous Electrodes of Lithium-Ion Batteries

Research on the heat transfer characteristics of lithium-ion batteries is of great significance to the thermal management system of electric vehicles. The electrodes of lithium-ion batteries are composed of porous materials, and thus the heat conduction of the battery is not a standard form of diffusion. The traditional heat conduction model is not suitable for lithium-ion batteries. In this paper, a fractional heat conduction model is used to study the heat transfer properties of lithium-ion batteries. Firstly, the heat conduction model of the battery is established based on the fractional calculus theory. Then, the temperature characteristic test was carried out to collect the temperature of the battery in various operating environments. Finally, the temperature calculated by the fractional heat conduction model was compared with the measured temperature. The results show that the accuracy of fractional heat conduction model is higher than that of traditional heat conduction model. The fractional heat conduction model can well simulate the transient temperature field of the battery. The fractional heat conduction model can be used to monitor the temperature of the battery, so as to ensure the safety and stability of the battery performance.     

A molecular dynamics simulation of nanoscale convective heat transfer with the effect of axial heat conduction

Effective heat dissipation from nano-fluidic devices is sometimes necessary to ensure their performance and lifespan. In the molecular dynamics simulation of nanoscale convective heat transfer, thermostats cannot be directly applied to the fluid because of the non-uniform temperature distribution. Periodic boundary is typically utilised, but unrealistic axial heat conduction exists when there is a temperature difference between the outlet and images of inlet atoms. In this paper, the effect of axial conduction caused by periodic boundary is investigated through the Péclet number (Pe). Taking viscous dissipation into consideration, the magnitude of outlet thermal diffusion is observed to decrease with increasing Pe. The local average temperature of fluid changes in an exponential form except in the region close to the outlet. Results show that the contribution of outlet axial conduction to the local average temperature is less than 2.0% when Pe > 10. The main reason is that the magnitude of fluid velocity and viscous heat dissipation in nanochannels is much larger than that in macro-channels at the same Péclet number.     

3ω法研究微尺度下铂丝自然对流换热

建立了测量微细丝表面空气自然对流换热系数3ω法模型。利用3ω法测量了直径为10.6μm水平和垂直方向铂丝表面室温下的空气换热系数。水平和垂直铂丝产生的三次谐波比较接近,结果说明,微尺度下空气的自然对流换热以导热为主,自然对流作用可以忽略。基于3ω线法原理,引入形状因子并提出了微尺度下铂丝表面换热系数的理论计算模型。空气自然对流换热系数远大于大尺度下的值,主要原因是铂丝的面积体积比值大。     

气冷涡轮叶片传统热分析中热边界条件的影响

以MarkII气冷涡轮叶片为研究对象,考察了换热系数分布对叶片外表面温度分布的影响。首先分别以温度和换热系数实验值作为热边界条件验证了固体导热计算方法和CFD程序的有效性,然后分析了6种典型热边界条件下的叶片外表面温度分布,并与实验值进行对比。由分析结果可知:叶片外表面温度与换热系数紧密关联,经验关联式(层流、湍流)条件下预测得到的温度偏差较大,当换热系数由能考虑边界层转捩影响的CFD计算得到时,预测得到的温度与实验值较为接近。     

水射流冷却过程中表面热流密度的预测

建立了由内部一点测量温度值,选取多个时间步长计算未知的表面热流密度与换热系数的导热反问题算法。该算法采用有限容积法离散方程,附加源项法处理边界条件。将该计算模型应用于求解浸没水射流冷却过程中表面热流密度,将计算温度值与实验测温值进行比较验证了算法的正确性。在此基础上分析了水射流冲击过程中薄钢片表面热流密度随表面温度与时间的变化特性。