基于有限元的舌体三维温度场数值模拟

依据生物体自然形态所进行的三维温度场建构与计算是近年来国内外生物传热研究中的焦点之一.采用血管铸型的方法获取猪舌的血管树,通过数码成像及逆向建模将其转换为计算机可识别的数字模型.以Pennes方程为基准方程,对自然形态和实际传热状态下的舌体三维温度场进行了重构计算,并获得成功.通过此方法可获取其它生物体器官三维空间的温度分布,对本研究而言,舌体三维温度场计算的成功为探索生物传热与中医舌诊的机理研究搭建了技术平台.     

血液对流换热的数值计算

在血管壁施加第三类边界条件是计算血液与组织间对流换热的一种近似计算方法.为分析其可行性,用有限元数值模拟方法计算血管分支结构中血液与组织的对流换热,得到不同流速和半径下分支血管内血液的截面平均Nu数沿管长的变化曲线.结果表明,血管树中分支血管的Nu数变化幅度不大,且趋于稳定值的速度很快.以相同边界条件下包含简单血管系统的舌体为例,分别用近似方法和完全耦合计算方法,进行血液流场和舌体温度场模拟.通过比较计算结果,得出两种方法得到的温度场分布趋势基本相同;用完全耦合计算方法得到的舌体温度略高于用近似方法得到的舌体温度,两者差值小于0.2℃.     

舌模型建构与三维温度场数值模拟初探

舌体的三维温度场的建立可直观反映全舌空间温度的分布情况,能够深层次分析全舌的传热特性。本文选择猪舌为实验研究对象,建构舌体真实血管分布的物理模型为计算机可识别的数字模型,在此基础上用有限元方法对舌体三维温度场的数值模拟做了初步探索。讨论了血管形状分布,血液灌注率,代谢热与生物体三维温度场变化规律的相关性。     

人舌动脉三维血管树建立方法研究

用血管树作为内热源进行生物体三维温度场重构是一种较为精确的生物传热计算方法.以人舌血管铸型为模板,采用数学方法分步建立其血管树.根据统计规律建立形态走向复杂的舌深动脉和一级分支血管,然后依据生理组织结构规律和优化原则生成其它血管.与实际人舌血管铸进行对比,结果表明:该方法建立的血管树符合人舌血管树的生理结构.用此方法可以替代生物体血管铸型实验,生成具有不同形态特征的血管系统,为深入研究生物体内部的传热特性提供了基础.     

人舌三维温度场的实验研究与数值模拟

直接采用人舌血管铸型进行三维温度场的实验研究与数值计算.体现出依据生物体的真实形状和真实受热状态而进行的生物传热研究.仍以Pennes方程为基准方程,对自然形态和实际传热状态下的人舌舌体三维温度场进行了重构,计算结果与红外热像测试结果趋于一致.意义在于,以此为技术平台,可通过变换多种生物参数的方法获取不同的舌体三维温度分布与测取中医不同证候的舌热像进行比较,获取特定证候具有的相应生物参数值,由此研究生物传热与传统医学的相关性.     

高速气流作用下激光加热金属平板数值模拟

数值模拟研究了高速气流作用下激光加热金属平板温度场。流体控制方程为三维雷诺平均Navier-Stokes方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用两相流模型模拟气流对烧蚀物的剥蚀,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到了不同气流速度下金属平板的温度分布以及烧蚀形貌。分别使用两相流方法和动网格方法对高速气流作用下激光对金属板的烧蚀效应进行了计算,结果表明,两相流方法与动网格方法都能较好地模拟高速气流作用下激光加热金属平板的温度响应,由于两相流方法能够较全面地模拟对流换热、熔化与凝固过程以及金属液体在气流冲刷下的动力学过程,因此能获得比动网格方法更为合理的物理图像。     

热复杂边界条件三维热应力场数值模拟研究

本文以制动盘为研究对象,基于三维对称有限元模型,运用顺序耦合数值模拟方法对制动盘制动过程传热与受力进行了探讨,分析了在热流密度、对流换热系数、辐射换热系数与时间相关的复杂的二、三类边界条件下,温度场与应力场的瞬时变化。研究结果表明,数值模拟结果与实验结果吻合程度高,证明了采用数值模拟方法对具有复杂边界条件的对象进行热应力研究与预测的可行性,同时为其他领域的传热与应力研究提供了理论依据。     

涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅲ:气热耦合计算

三维气热耦合数值模拟是涡轮叶片冷却结构详细设计中应用的热分析方法。三维气热耦合数值模拟的计算域实体模型建立借助于参数化方法,模型包括冷却结构尽可能多的细节、并保证足够高的模型精度。网格生成时,流体域采用结构化网格,并且需要在换热壁面上根据湍流模型的要求进行加密。将管网计算结果与三维数值模拟结果进行对比,发现管网计算的精度有限,而气热耦合计算方法能够捕捉更多流动换热现象,计算结果相对可信。对单个冷却结构方案进行三维数值计算的周期为5～15天,基本满足工程设计要求。     

高温空气燃烧炉内耦合传热的数值模拟

用自行开发的三维湍流流动、燃烧、辐射传热和NO_x湍流生成的计算程序,用离散坐标方法(DOM)模拟炉内的辐射传热并与其它传热方式相耦合,与各个输运方程共同求解,对燃烧室内的温度场进行了数值模拟.通过改变高温空气的预热温度,数值分析了高温空气燃烧炉内采用燃气直接喷射技术(FDI)的温度分布特性,检验了所采用的耦合数值模拟技术的有效性.模拟计算结果表明,提高空气预热温度,炉内温度的峰值相应增大,温度梯度降低,温度分布更均匀,火焰更长.相关的实验结果与数值预报的结果对比表明了相一致的规律.     

涡轮三维叶栅的气热耦合数值模拟

本文借助数值模拟技术分析了三维跨音速涡轮导向叶栅不同壁面边界条件对流场流动状况的影响,壁面边界分别采用绝热、等温、耦合换热三种条件。通过对计算结果的分析表明,不同叶片表面边界条件对流场温度场有很大影响,对流场内的压力场及其它参数也有明显影响,因此在气冷涡轮设计中使用多场耦合技术进行数值模拟是非常必要的。     

油藏多孔介质湿饱和流动的热流耦合分析

建立了蒸汽驱热水驱替部分湿饱和流动热流耦合的物理模型,在其基础上得到包括温度方程、压力方程、饱和度方程、渗流速度方程等在内的数学模型,采用全隐式中心差分方法,得到温度场、压力场等的迭代公式,对某应用示例的数值模拟说明了其过程的热流耦合机制,并指出应对油藏实施有效的加热降黏措施,可同时提高原油采收率和采油速率.     

用积分法求解脉冲磁控管的温度分布

本文是处理脉冲磁控管温度分布的计算方法。磁控管的温度分布是二阶非线性偏微分方程。用积分方法进行离散求解。     

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将等离子体作为磁流体,考虑其流体属性和电磁属性,介绍了利用FLUENT软件包并将其进行二次开发,解算电磁场方程、质量连续性方程、动量守恒方程、以及能量守恒方程的数值模拟方法,得到了以磁矢势为表达形式的电磁场分布、温度分布和速度分布.数值模拟了粉末球化所用的感应耦合等离子体炬电磁场分布、温度分布、速度分布.分析了温度分布、速度分布产生的物理原因,为感应耦合等离子体炬球化粉末颗粒提供理论性指导.     

含冷却水管大体积混凝土温度场计算的一种新方法

水管冷却是混凝土坝施工期的主要温度控制措施,提出一种新的水管冷却数值模拟理论和计算方法.该方法将水管置于常规混凝土单元内部,在单元中把混凝土与水管的接触面作为散热面纳入控制方程的边界条件,把混凝土通过冷却水管壁面耗散的能量叠加到常规泛函中,根据此复合泛函由变分原理建立含冷却水管混凝土的有限元支配方程.编制相应的三维计算程序,在程序中水管网格的拓扑信息由程序自动完成,冷却水管可以从混凝土单元任意位置穿过,因此不增加网格剖分的难度,算例表明该方法能准确模拟混凝土的冷却效应.     

热力耦合作用下双层碳纳米管的扭转屈曲

考虑碳纳米管周边弹性介质和层间范德瓦耳斯力的作用,利用连续介质力学的壳体理论,建立了热力耦合作用下碳纳米管屈曲问题的控制方程,给出了相应的临界屈曲扭矩的解析解.数值模拟结果表明,在低温和室温环境下,碳纳米管的临界屈曲载荷随着温度变化量的增加而提高;在高温环境下,碳纳米管的临界屈曲载荷随着温度变化量的增加而降低. 关键词： 碳纳米管 屈曲 热力耦合     

Axisymmetric wave propagation of thermoelastic transversely isotropic half-space under buried loading using potential functions

By virtue of a new scalar potential function and Hankel integral transforms, the wave propagation analysis of a thermoelastic transversely isotropic half-space is presented under buried loading and heat flux. The governing equations of the problem are the differential equations of motion and the energy equation of the coupled thermoelasticity theory. Using a scalar potential function, these coupled equations have been uncoupled and a six-order partial differential equation governing the potential function is received. The displacements, temperature, and stress components are obtained in terms of this potential function in cylindrical coordinate system. Applying the Hankel integral transform to suppress the radial variable, the governing equation for potential function is reduced to a six-order ordinary differential equation with respect to z. Solving that equation, the potential function and therefore displacements, temperature, and stresses are derived in the Hankel transformed domain for two regions. Using inversion of Hankel transform, these functions can be obtained in the real domain. The integrals of inversion Hankel transform are calculated numerically via Mathematica software. Our numerical results for displacement and temperature are calculated for surface excitations and compared with the results reported in the literature and a very good agreement is achieved.     

A new fully nonisothermal coupled model for the simulation of ice sheet flow

A shallow ice thermocoupled model for the complex nonlinear polythermal ice sheet dynamics is proposed and solved by means of efficient numerical methods. A novelty is the obstacle problem formulation associated to a nonlinear integro-differential equation (with nonlocal temperature dependent coefficients) for the ice sheet profile. This formulation is motivated by the free boundary feature and the influence of the temperature on the profile (fully nonisothermal model). Concerning the temperature equation, a dynamically prescribed surface temperature, obtained from an Energy Balance model corrected by the altitude effect, is posed. As the profile and temperature equations are fully coupled, a nonlinear PDE system governing the upper ice sheet profile, the velocity field, the temperature and the basal stress is stated. In addition to the numerical difficulties associated to the new profile equation, several techniques have been considered for the numerical solution of the temperature, velocity and basal magnitudes. Discussions concerning the nonlinear dynamics of the different involved magnitudes and the improvement in their computed values with respect to previous works are also presented.