圆管内自由固体相变材料定热流接触熔化

针对水平圆管内自由固体相变材料储能时的吸热熔化,运用接触熔化理论建立定热流圆管热源接触熔化模型.运用Nusselt液膜理论,建立熔化控制方程,并求解得到无量纲熔化方程组.分析讨论不同工况下熔化速度、液膜层厚度和压力分布等熔化参数的变化规律,探讨各影响因素对熔化的影响,并与温差熔化结果进行比较,研究第二类热边界条件下的接触熔化规律.发现,熔化过程中随着固体高度的减小,接触熔化液膜厚度逐渐增大,使熔化速度降低;热流密度较小时,其变化对熔化影响显著.     

考虑非傅立叶效应的固液相变分子动力学模拟

采用耦合双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光照射金箔的固液相变过程进行了模拟研究,利用序参数法对固液原子进行判定从而确定了金箔发生相变时的固液界面位置和温度,对基于傅立叶定律的抛物线模型和考虑非傅立叶效应的双曲线模型模拟得到的结果进行对比分析,在此基础上采用耦合双曲线模型的分子动力学方法研究了激光能量密度和脉冲宽度对金箔相变过程的影响.结果表明,当激光作用于金箔时,金箔上表面首先熔化,固液界面随时间不断向金箔底部移动,并且在相同条件下,双曲线模型下的金箔熔化深度和固液界面温度均大于抛物线模型的结果.当考虑非傅里叶效应时,激光能量密度越大,固液界面温度越高,金箔熔化时间越短;激光脉冲宽度越小,固液界面温度越大,金箔熔化速度越快.     

皮秒激光烧蚀Al膜的理论分析与实验验证

为研究Al膜受短脉冲激光作用时的能量传输过程,建立了一维半经典双温热传导模型。根据材料加工过程的熔化现象,对模型的相变区域进行有效设置。通过有限元法求解,得到晶格温度随时间分布的规律。根据自由电子气理论优化了模型,得到Al膜表面反射率和热吸收系数随时间的分布图。得到了激光辐照所产生热电场的分布规律,并分析了电子温度梯度对其影响。描绘出电子漂移运动速度的分布规律,证实激光作用产生的热电场是电子漂移运动的主导因素,发现最大漂移速度位置随时间的延长而加深。对激光作用后的晶格温度进行了区域性分析,定义了过热加热区,并得到激光烧蚀深度随时间的变化关系。实验结果表明,不同功率皮秒激光烧蚀Al膜的深度接近于理论计算结果。     

吸收器水平管外降膜流动数值模拟研究

建立了吸收式制冷机组吸收器水平管外气液降膜流动数值模型,分析了布液高度、布液孔大小、水平管直径及液体入口速度对液膜流动特性的影响,探讨了不同液体入口温度下液膜表面的温度分布。结果表明:液体铺展过程中液膜前端出现小液滴的分离;液膜厚度随周向角的增加先减小后增加,液膜Y方向速度呈相反的变化趋势;随液体入口流速的增加,液膜厚度增加,管壁下方的"干区"面积随之增加;随布液孔孔径的增大,液膜厚度及Y方向速度增加;随布液高度及降膜管直径的增加,液膜厚度减小,Y方向速度增加;随周向角的增加,液膜表面温度逐渐降低,并随着温差的增加,液膜温度降低幅度较大。     

金属钨熔化过程的分子动力学模拟

本文使用分子动力学方法对金属钨的熔化过程进行了数值模拟,分析了钨在熔化过程中的结构、系统内能变化以及表面熔化过程固-液界面变化情况,初步分析了表面熔化现象的机理。模拟过程采用嵌入原子模型(EAM)描述原子间相互作用,模拟结果表明,嵌入原子模型适合于计算固-液相变过程,表面熔化过程是由表面处最外层原子的不稳定性触发的。对于均匀熔化过程,晶体在4700 K下发生固-液相变;对于表面熔化过程,计算获得了不同温度(3800～4800 K)下的熔化速度,拟合出熔化速度公式,得到的表面熔化热力学熔点与已有实验结果基本符合。     

固着液滴蒸发薄液膜区传质传热特性数值研究

本文基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论,以水为工质,建立固着液滴蒸发薄液膜区、宏观弯月面区、固体基底内部及气液、液固、气固界面的耦合传热模型,并探究固体基底厚度和热物性对蒸发薄液膜区传热特性的影响。结果表明,由于液滴蒸发过程中的冷却效应,三相接触线附近的基底温度低于周围固体温度;蒸发速度越快,温度差越大。蒸发薄液膜的长度、最大质量流量和传热量与基底厚度与液滴半径比值h_r有关;当h_r=0.4时,薄液膜区传热对总体传热贡献最大;基底的热导率越小,蒸发液滴具有更长的蒸发薄液膜长度及更强的界面传热,薄液膜区传热对总体传热影响越显著.     

水平螺旋槽管壁面升膜形成机理的研究

对驱动升膜形成的润湿力进行分析,建立单组分流体的数学模型,得出壁面液膜蒸发时的速度和厚度分布。基于此得到蒸发过程中水平螺旋槽管管外壁升膜的形成机理和流动特性,并给出液膜润湿整个管壁面的临界条件。     

液滴撞击超亲水表面冷液膜的研究

液滴撞击过程因具有较强的传热传质性能被广泛应用于工业领域中。本文利用高速摄影机和红外热像仪,研究了液滴撞击超亲水表面冷液膜的水力学特性和温度分布,探讨了撞击We数和液膜温度对撞击过程中水力学特性以及液膜温度分布的影响.总结了液滴在超亲水表面的液膜上的水力学特征的变化规律。实验结果表明,液滴铺展速度和最大铺展直径随撞击We数的增大而增大。同时,液膜温度会影响液滴撞击薄液膜后的水力学特性.在低We数下液滴撞击低温薄液膜后液膜的温度呈高低相间的环状分布,随着撞击We的增大,该环状温度分布消失。这对要求精确喷雾控温的工业过程起到了十分重要的意义.     

超声作用下流动液膜在流道中传热的实验分析

受超声作用的流动液膜流过具有热源的流道底部来强化传热,以降低壁面的温度。通过实验方法来分析在不同的工况下受超声作用的流动液膜对加热壁面温度和传热系数的影响。实验结果表明,以45°倾斜角放置的超声波以及较大的液膜流速和超声波的耦合可获得较低的壁面温度和较高的换热系数。同时,在较低的热流密度下,顺流对液膜传热的影响大于逆流,随着热流密度的逐渐增大,顺流对液膜传热的影响减弱。此外,两个超声波对液膜的共同作用可获得96%的换热系数上升速率。基于实验结果,得到了两个超声波比单个超声波能产生更多对流的结论。该研究对设备降温有参考价值。     

液滴碰撞液膜润湿壁面空气夹带数值分析

采用复合水平集-流体体积法并综合考虑传热及接触热阻的作用, 对液滴碰撞液膜润湿壁面空气夹带现象进行了数值分析. 揭示了夹带空气形成机理, 探索了夹带空气特性参数随碰撞速度和液膜厚度的变化规律, 获得了夹带空气作用下液滴碰撞润湿壁面的传热机理. 研究结果表明: 撞壁前气液两相压力差是引起气液相界面拓扑结构变化以及夹带空气形成的主要原因; 液滴碰撞速度与压缩空气层内压力以及相界面形变高度密切相关; 液滴接触液膜时, 碰撞轴上液滴底部和液膜表面速度相等, 大约是碰撞速度的1/2; 碰撞速度对夹带空气层底部到破碎点的无量纲弧长和最大无量纲夹带空气直径均存在较大的影响; 液滴和液膜的无量纲形变高度与斯托克斯数密切相关; 液膜初始厚度对液滴和液膜的无量纲形变高度和最大无量纲夹带空气直径影响较大; 撞壁初始阶段, 碰撞中心区域夹带空气对壁面热流密度分布存在较大的影响.     

温度梯度区域熔化作用下熔池迁移的元胞自动机模拟

本文采用耦合凝固和熔化效应的二维元胞自动机(cellular automaton, CA)模型,对温度梯度区域熔化(temperature gradient zone melting, TGZM)效应引起的熔池在固液两相区中的迁移现象进行模拟研究.模拟分析了抽拉速度、熔池初始位置、温度梯度和合金成分等因素对TGZM动力学的影响,并将模拟结果与解析模型的预测结果进行比较验证.通过模拟发现,在温度梯度作用下,熔池总是向着高温方向迁移;当抽拉速度低于或高于临界抽拉速度时,熔池朝向移动的液相线或固相线迁移;对于给定的抽拉速度,位于糊状区内临界位置以上的熔池会迁移进入液相,而位于临界位置以下的熔池会逐步靠近固相线.此外,温度梯度越高,合金成分越低,熔池的迁移速度越快.     

Étude expérimentale de la résistance thermique de contact entre l'étain en cours de fusion et un creuset refroidi

This paper deals with the analysis of the thermal contact conditions during the melting of tin on different cooled walls, for different heat situations and for different cooling flows. Two experimental set ups are studied. A polished nickel substrate covers the melting-pot of the first one. Semi intrinsic thermocouples are implemented to measure the temperature of the substrate. This will allow a better study of the thermal contact resistance distribution on the wall. The second melting-pot is made of copper. Its surface roughness is variable. The heat system is stronger. The results obtained with the first experimental set-up show that the thermal contact resistance is time-dependent and non-uniformly spread. However, the heat evacuation is relatively uniformly spread while the heat power increases. Tests carried out with the second experimental set-up point out huge temperature oscillations which are attributed to unstable thermal contact conditions. This thermal behaviour can be explained by the buckling of the tin crust. The apparition of buckling seems to be favoured by a higher dissipated power and by a higher thermal conductivity of the melting pot.     

Numerical simulation of the transient multiphase field during plasma deposition manufacturing composite materials

A solid/liquid/gas unified model has been developed to investigate the gradient composition formation during the plasma deposition manufacturing (PDM) composite materials process. In this model, an enthalpy porosity model was applied to deal with the melting and solidification of the deposited layer, and a level-set approach was introduced to track the evolution of the free surface of the molten pool and the deposited layer. Moreover, complicated physical phenomena occurring at the liquid/gas interface, including forced convection heat loss, heat emission and plasma heat source, have been incorporated into the governing equations by source terms. In this study, the numerical experiment of nickel base alloy powder deposited on the medium steel substrate by PDM technique was implemented based on the staggered grid and SIMPLEC algorithm. Concentration gradient distribution of the solute material at the composite material interface, fluid flow and temperature distribution in the molten pool and the deposited layer have been investigated in detail. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50474053) and the High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2007AA04Z142)     

双液滴撞击平面液膜的流动与传热特性

采用耦合的水平集-体积分数法(CLSVOF)对双液滴连续撞击恒定壁温壁面上的热液膜的流动和换热特性进行了数值模拟及分析,得到了双液滴撞击热液膜后形态演变的过程.分析了液滴垂直间距、撞击速度、液膜厚度以及液滴直径对双液滴撞击液膜后的流动与传热特性的影响,结果显示,壁面平均热流密度随液滴撞击速度的增大而增大,液滴垂直间距、液膜厚度和液滴直径对平均热流密度的影响较小,但会对热流密度在撞击区域和交界区的分布产生重要影响.     

分离结晶过程中熔体热毛细对流的转变

为了了解微重力条件下新型分离结晶生长过程中熔体热毛细对流的基本特征,利用有限差分法进行了数值模拟,熔体深径比A取1和2,自由界面无因次宽度B分别取0.05、0.075和0.1.当熔体上表面为自由表面时,得到了分离结晶Bridgman生长过程中熔体热毛细对流的流函数和温度分布.计算结果表明:当Ma数较小时,在上下两个自由表面的表面张力的驱动下,熔体内部产生了两个流动方向相反的流胞,流动为稳态流动,随着Ma数的增加,上下自由表面速度增大,温度分布的非线性增加;当Ma数超过某一临界值后,流动将转化为非稳态流动;与熔体上表面为固壁时相比,A=1时的临界Ma数减小,而A=2时的临界Ma数增大;流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.     

Heat and mass transfer of MHD convective boundary layer flow past a stretching porous wall embedded in a porous medium

The hydromagnetic convective boundary layer flow past a stretching porous wall embedded in a porous medium with heat and mass transfer in the presence of a heat source and under the influence of a uniform magnetic field is studied. Exact solutions of the basic equations of motion, heat and mass transfer are obtained after reducing them to nonlinear ordinary differential equations. The reduced equations of heat and mass transfer are solved using a confluent hypergeometric function. The effects of the flow parameters such as a suction parameter (N), magnetic parameter (M), permeability parameter (K _p ), wall temperature parameter (r), wall concentration parameter (n), and heat source/sink parameter (Q) on the dynamics are discussed. It is observed that the suction parameter appears in the boundary condition ensuring the variable suction at the surface. Transverse component of the velocity increases only when magnetic field strength exceeds certain value, but the thermal boundary layer thickness and concentration distribution increase for all values. Results presented in this paper are in good agreement with the work of the previous author and also in conformity with the established theory.     

Ultrafast solid–liquid–vapor phase change of a gold film induced by pico- to femtosecond lasers

Melting, vaporization and resolidification processes of thin gold film irradiated by a femtosecond pulse laser are studied numerically. The nonequilibrium heat transfer in electrons and lattice is described using a two-temperature model. The solid–liquid interfacial velocity, as well as elevated melting temperature and depressed solidification temperature, is obtained by considering the interfacial energy balance and nucleation dynamics. An iterative procedure based on energy balance and gas kinetics law to track the location of liquid–vapor interface is utilized to obtain the material removal by vaporization. The effect of surface heat loss by thermal radiation was discussed. The influences of laser fluence and duration on the evaporation process are studied. Results show that higher laser fluence and shorter laser pulse width lead to higher interfacial temperature, deeper melting and ablation depths.     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

毛细管内液氮的自然对流换热数值计算分析

主要探讨了毛细管管径以及倾角对其内的加热丝与液氮的换热效果的影响。应用FLUENT软件对0、30、60、90倾角下管径为1.2mm和2.0mm的毛细管内的加热丝与液氮的换热情况进行了三维数值模拟,得到了管内液氮的速度、温度以及加热丝的温度分布情况。数值计算结果与实验结果吻合的比较好。计算结果表明倾角为30°和60°的换热效果最好,大管径下的换热情况要比小管径的换热效果好。