大型客机座舱混合送风形式的数值模拟

提出了一种新的四风口混合送风形式，并采用计算流体力学（CFD）对其送风效果进行评估。首先利用真实MD-82飞机实验平台的气流实验数据对所采用的非定常RNG k-ε模型进行了验证；然后针对某机型座舱的热天地面工况，用上述验证后的CFD模型分别对这种新的四风口送风形式及现行的两风口、三风口混合送风形式进行了数值仿真；最后对这三种送风形式营造的客舱环境从速度、温度、局部热舒适度等角度进行了分析比较。结果表明：非定常RNG k-ε模型能够准确合理地预测客机座舱内的空气流动；两风口送风形式在乘客周围形成较大风速，脚部吹风感达15%；三风口送风形式下走廊风速达到0.5m/s，会引起工作人员的热不舒适；而新的四风口送风形式在乘客周围大部分区域的风速低于0.1 m/s，垂直温差引起的不满意率（PD）平均值约为0.5%，吹风感引起的不满意率（DR）在身体周围大部分区域低于5%，其舒适度是三种送风形式中最优的，适合在客机上使用。     

交通工具上的小空间睡眠区不同气流组织的数值分析

长途旅行中的睡眠区气流组织设计对于人体热舒适和空气质量控制是极其重要的。为了给小空间睡眠区提供更加舒适和空气质量更佳的气流组织,本文首次针对置换通风、个性通风、混合通风三种通风方式,利用CFD(计算流体力学)对睡眠区速度场、温度场、污染物CO2的浓度分布进行了数值模拟分析。对利用CFD计算出的面部舒适速度比例(FSR)、吹风感(DR)、空气龄(MA)进行比较,得出:在睡眠区采用个性送风可以在最节能的情况下得到更好的面部舒适速度比例和空气质量,优于置换通风和混合通风;1.5m3/min为个性通风的最佳通风量;为了避免在睡眠区使用个性通风时产生吹风感,应该保证送风温度不能过低;增大个性送风口送风面积可以有效降低吹风感。     

预计平均热感觉指数PMV计算模型的分析与改进

环境热舒适是衡量建筑物等级的重要指标。据大量实验与现场研究表明，PMV热舒适模型存在一定的偏差，有待完善、改进。现有PMV计算模型计算的各散热项、热负荷、PMV值与实际存在偏差；适用于PMV评价模型“接近热中性”环境条件、人体热负荷定义及其计算方法还存在异议。通过理论分析，本研究提出了新的“接近热中性”环境条件、新的人体热负荷定义及其计算方法，提出了新的PMV计算模型，并经对比分析发现，新的模型修正了在偏热环境下的现有PMV预测偏差。另一方面，在新的热负荷计算方法下，PMV与热负荷之间的函数关系K_M必须进行相应调整，要获得准确的K_M函数关系，必须获得较准确的人体平均皮肤温度与环境参数间的关系。     

铁路空调硬卧车内气流分布的数值模拟

建立了铁路空调硬卧车内CFD仿真模型,对车厢内流场、温度场和热舒适性评价指标进行了分析。采用稳态不可压缩雷诺时均N-S方程、k-ε湍流模型,应用控制容积法和交错网格进行离散。计算了空调硬卧车内三维空气流场和温度场,并与实验结果进行了对照,两者吻合较好。在此基础上分析了车厢内人体热舒适性,结果表明车厢中部和端部铺位PMV分布不同,端部人体热舒适感较好,中部较差;而且同一计算断面不同铺位的人体热舒适感差异较大:上铺有较大区域PMV<-1.0,人体感觉较凉;中铺大部分区域-0.51.0,人体感觉偏暖。     

载人列车车厢内空气流场温度场数值模拟

采用稳态不可压缩雷诺时均N-S方程、k-ε湍流模型,计算了载人列车车厢内三维空气流场和温度场。将太阳辐射热和人体散热作为能量方程的附加源项,研究了在条缝送风条件下,乘客和太阳辐射对车厢内流场和温度场的影响。计算结果表明:现有的送风方式除车厢两端外,车厢内沿长度方向气流分布比较均匀;送风口的布置对车厢内流场温度场分布影响较大,送风气流在车厢两侧形成两股比较大的流动旋涡;人体散热和太阳辐射对车厢内流场温度场影响较大,非空载时车厢内流场分布与空载时有较大差别,太阳照射和人体产生的热气流使车厢内存在较大的温度梯度,靠窗处的温度较高,过道处温度较低。流场温度场的计算结果和实验数据吻合较好。     

气体模型对再入飞行器气动力热环境影响的数值研究

复杂外形再入飞行器的设计,需对气动力热环境进行预测,由于不同的气体模型会对预测的结果产生影响,所以气动设计时就必须考虑这一影响.采用热化学平衡气体模型和双温度热化学非平衡气体模型对复杂外形再入飞行器的气动力热环境进行了数值计算;分析了气体模型对气动力、壁面热流等值线、驻点线平动温度、振动温度、组分质量分数等特征量的影响...     

升温热冲击环境下超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型

在现有的抗热震理论基础上考虑到超高温陶瓷材料热物理性能对温度的敏感性及损伤在其使役历程中随温度的演化,建立了适用于升温服役环境下表征超高温陶瓷材料抗热震性能的热-损伤模型。该模型考虑了微裂纹尺寸、密度、热冲击环境温度等因素对材料抗热震性能的影响。利用此模型研究了超高温陶瓷材料在升温服役环境下损伤以微裂纹形核规律演化时对其抗热震性能的影响。从理论上验证了基于材料微结构设计思想在制备超高温陶瓷材料时,引进一定密度一定尺寸的微裂纹并控制其随温度演化规律以形核方式进行,既可以使材料保持较高的强度又能大幅度提升材料的抗热震性能。     

大气压力对织物热湿特性影响的数值研究

为了模拟多孔织物内复杂的热湿传递过程，为不同大气压力条件下服装的热湿舒适性设计提供理论基础，从织物内热湿传输机理角度出发，建立了考虑大气压力影响的织物热湿传输耦合模型，比较了常压下的理论预测和实验结果，通过数值算例考察了大气压力对织物热湿特性的影响。     

典型热防护壁板结构的热模态分析

气动加热产生的热环境会使结构动力学参数发生显著变化,影响结构的承载能力和强度极限,因此结构的热模态分析是评估结构动态力学环境适应性的重要手段。结构热模态分析有两种手段:数值分析和热模态试验。而目前对高温及高温梯度下的结构热模态分析研究较少。本文针对典型热防护壁板结构,研究了气流加热的高温热环境模拟方法以及结构热模态试验和分析方法;获得了不同温度及温度梯度条件下典型热防护壁板结构的振型、固有频率,分析了结构振动特性的变化规律;通过数值模拟与试验对比,发现温度梯度因素对结构动力学参数具有显著的影响。进一步研究温度及温度梯度对结构动力学参数的影响,对热载荷下的结构设计具有指导意义。     

风速对室内气流分布影响的数值仿真

对低温空调系统送风特性进行了研究,着重于低温送风空气流动状况及其对室内环境的影响.以某一典型的空调房间为研究目标,利用计算流体动力学(CFD),研究在低温送风条件下,室内气流组织的分布状况.通过建立合理的数学模型进行数值模拟,运用试验手段验证了模拟结果的可靠性,得到几种送风速度下的室内气流速度场与温度场的计算结果.经过分析,确定该空调室的送风速度范围与最佳值.最后得出每一种低温送风系统对应着一定的送风速度范围的结论.     

热环境下复合材料壁板的振动特性分析

针对飞行器中常见的壁板结构,运用能量原理和变分方法,建立了定常温度场下复合材料壁板振动的控制方程以及相应的有限元分析模型。分析了热环境对壁板振动特性影响的机理,同时提出了一种针对热环境下复合材料壁板振动特性分析的线性化计算方法。采用这种方法,热环境的影响以一个热刚度项和一个热载荷项的形式出现在常温下的振动运动方程中,由此可以较准确地模拟热效应对结构振动特性的影响。通过对热环境下复合材料壁板振动固有特性数值分析结果的对比,验证了本文方法的可行性和计算精度。同时分析结果表明,热效应产生的诱导应力对结构刚度的影响是导致壁板固有振动频率降低的主要原因。     

重型车驾驶室结构特性仿真分析与研究

针对某重型车驾驶室结构特性分析与优化的问题进行研究,采用CATIA软件对驾驶室进行几何建模,利用HYPERMESH软件建立有限元模型,并进行自由模态仿真分析;利用试验模态和计算模态分析对比的方法,验证了有限元模型的有效性;结合此款驾驶室的承载特点,利用MSC.Patran/Nastran对驾驶室的弯曲和扭转工况进行刚度和强度仿真计算,利用Fatigue对扭转工况下驾驶室的疲劳强度进行仿真计算,给出了驾驶室的易疲劳破坏位置。研究结果表明:驾驶室固有频率为37.826Hz,避开了激振频率,避免了共振现象;在扭转、弯曲两种工况下,驾驶室产生的最大应力分别为108MPa、38.8MPa,均小于材料许用应力,弯曲、扭转刚度满足要求,驾驶室抵抗变形的能力较好,结构设计合理。     

热冲击下物性与温度相关性对热弹性响应的渐进分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Green-Naghdi能量无耗散广义热弹性理论(G-N II理论),对热冲击下具有变物性特征材料的热弹性响应进行了求解分析。借助Laplace正、反变换技术以及Krichhoff变换,在热物性参数随真实温度呈线性规律的前提下,推导了半无限大体受热冲击作用时热弹性响应的解析表达式,通过求解分析,得到了热冲击下热波、热弹性波的传播规律,位移场、温度场以及应力场的分布情况,以及物性随温度相关性对热弹性响应的影响效果。结果表明：当考虑材料物性随温度的变化时,热波、热弹性波的传播以及各物理场的分布均受到不同程度的影响,且物性随温度相关性对热弹性响应的作用效果将受到材料热-力耦合特性的影响。     

电磁加热条件下皮肤组织的生物热力学行为

研究目的是开发一种数学方法来计算传热过程、热引起的力学响应以及相应的疼痛等级, 从而对临床上应用的各种加热疗法之间的差别进行定量评估. 采用基于有限差分法的数值模拟方法, 基于无限大和均匀化假设, 分析了各种热疗法中皮肤组织的温度、烧伤和热应力分布. 研究发现: 充血对热损伤的影响很小, 但对皮肤的温度分布影响很大, 而这又反过来显著影响由此产生的热应力场; 对于激光加热, 光波越短则峰值温度越高, 但峰值更接近皮肤表面温度; 激光和微波加热所产生的热应力集中于表皮顶层, 因为发热量沿皮肤深度方向呈指数衰减; 薄角质层(常常被忽略)对皮肤组织的热力学响应起主导作用.      

热冲击下温度相关物性对热弹性响应的渐进分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Green-Naghdi能量无耗散广义热弹性理论(G-N II理论),对热冲击下具有变物性特征材料的热弹性响应进行了求解分析.借助Laplace正、反变换技术以及Krichhoff变换,在热物性参数随真实温度呈线性规律的前提下,推导了半无限大体受热冲击作用时热弹性响应的解析表达式,通过求解分析,得到了热冲击下热波、热弹性波的传播规律,位移场、温度场以及应力场的分布情况,以及物性随温度相关性对热弹性响应的影响效果.结果表明:当考虑材料物性随温度的变化时,热波、热弹性波的传播以及各物理场的分布均受到不同程度的影响,且物性随温度相关性对热弹性响应的作用效果将受到材料热-力耦合特性的影响.     

光纤陀螺的热分析与热设计方法

光纤陀螺随温度变化产生的热噪声及热致非互易性相移误差直接影响其使用精度。为解决温度问题,分析了光纤陀螺工作的热环境,根据光纤陀螺的体积功率密度选择了自然冷却方法,包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或组合。通过分析光纤线圈及其他光电器件的温度特性及温度变化产生误差的机理,指出热设计的目的是控制光纤陀螺内部的温度场分布及最高温度,并对光纤陀螺的热设计方法进行研究,包括光纤线圈的热设计、光电器件的安装方式、控制电路的热设计等。由最后热仿真与测试结果可知,热设计方法合理可行。     

高温环境下T300/BMP350拉伸力学行为研究

对不同温度下的耐高温树脂基复合材料T300/BMP350的0°和90°单向层合板进行静载拉伸实验,得到材料在不同温度下的应力-应变响应,分析了温度对材料的力学性能影响。通过高温应变片采集到材料在高温环境下的热输出和破坏时的极限应变,分析了材料的热行为。通过分析材料的应力-应变曲线和失效模式,研究了材料的损伤和失效机理。研究结果表明:T300/BMP350树脂基复合材料具有很好的耐高温性能。高温下0°方向的拉伸强度和模量保持率达到80%以上,90°方向的拉伸强度和模量保持率可以达到50%以上。高温环境对材料的极限应变影响不大,材料破坏模式均为脆性破坏。基于实验结果,对材料的强度随温度的变化进行拟合,预测了该材料在350℃时0°和90°的拉伸强度。     

非线性热环境下高温合金蜂窝板隔热性能研究

金属蜂窝板结构在高温热环境下的隔热特性是高速飞行器热防护设计的重要参数. 使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统, 对高温合金蜂窝平板结构在高达800℃的非线性热环境下的隔热性能进行实验研究, 获得了蜂窝板结构的瞬态和稳态传热特性以及在多种不同温度下金蜂窝平板结构隔热效果的实验数据. 在考虑结构内部蜂窝芯壁面间辐射、金属结构的传热以及蜂窝腔内空气传热的多重热交换条件下, 采用三维有限元计算方法对蜂窝板的隔热特性进行了数值模拟, 计算结果和试验结果的吻合性良好, 验证了数值模拟方法的可信性和有效性, 并为数值模拟方法能够在一定程度上较好地替代价格昂贵的气动热模拟试验打下了基础. 讨论了在复杂非线性高温环境下金属蜂窝板隔热效率的变化, 加热面温度的升降速度与隔热效率的关联性以及金属蜂窝板表面发射率的选取等问题, 对高速飞行器金属蜂窝结构的热防护研究具有重要的参考价值.      

核主泵主轴表面热疲劳分析与寿命评估

核主泵主轴一般工作在约300℃的温度环境中,但会频繁受到冷却水的瞬态冲击作用,由此产生的热应力容易导致主轴表面产生疲劳裂纹,有效预测核泵主轴的热疲劳寿命意义重大.本文分析了核泵主轴表面在热冲击过程中的瞬态温度场、热应力场等变化规律,用数值模拟方法研究了热冲击的冲击温度、冲击区域半径和表面吸附水膜厚度等参数对热应力和热疲劳寿命的影响,发现热冲击温度、冲击区域半径和表面水膜厚度各因素对冲击表面热应力和疲劳寿命的影响呈现一定规律性,疲劳裂纹将首先发生在材料表面,然后向内部扩展,到达一定深度后止裂.热冲击冷却水温度差对表面热应力和疲劳寿命影响最大,冲击区域尺寸影响最小,表面吸附水膜具有降低热应力提高疲劳寿命的防护作用.     

粒径及送风方式对飞机座舱颗粒物分布的影响

通过合理简化波音737-200飞机的座舱,建立物理模型后,用计算流体力学(CFD)方法研究了粒径及送风方式对飞机座舱颗粒污染物分布的影响。用FLUENT软件计算分析了天花板送风和侧壁送风方式下飞机座舱内的流场;并在座舱中设置污染源,瞬态释放了1μm、10μm、20μm三种粒径的颗粒物,在机舱设置了不同的颗粒物浓度监测点并对整个机舱内颗粒物的浓度随释放后时间的变化情况进行比对,研究了这三种粒径的颗粒物在两种送风方式下的分布情况与排除速率。研究结果表明:粒径越小,颗粒物在机舱内扩散能力越强;天花板送风时,颗粒物更易集中于机舱中间过道及机舱后侧,且颗粒物排出速率与粒径成反比;侧壁送风时,颗粒物更易集中于机舱两边侧壁及机舱前侧,且粒径大小对排除速率的影响与释放后的时间有关。