岩土介质非稳态热固结耦合问题的热源函数法

考虑耦合效应的饱和土体热固结问题控制方程,利用Fourier变换、Laplace变换给出其在变换域上的解,将初始温度场分布视为虚拟的热源或者将热源等价为特定的初始温度分布,利用热源函数法给出瞬时线热源非稳态温度场、应力场和位移场的解析求解方法,通过在时间域和空间域上进行积分,给出有初始温度场分布以及有分布内热源存在且热源强度随时间变化条件下的热固结问题计算方法。对一无限大物体内存在有平面矩形域热源情况下周围介质的温度、孔隙水压力以及位移等的变化特征进行分析。研究表明,热源函数法可有效地求解一系列复杂情况下的热固结问题。     

单层微通道热沉拓扑结构对芯片中心热点的降温效能研究

通过热流固耦合模拟分析得到了不同微通道结构热沉基底的温度场及微通道内速度场,研究了相同入流功率下不同单层微通道拓扑结构对中心有高热流密度热点芯片的散热能力。结果表明:相同入流功率(0.05W)下,不同结构的散热能力排序由高到低为Y分形、弯曲散射、直散射(双侧出流)、直螺旋、直散射(单侧出流)、圆螺旋、树状分形、直槽结构;采用中心入流可有效降低芯片中心热点附近的温度,对于中心入流的散射结构,采用对称出流结构可提升其流动传热性能;Y分形结构具有良好的流动传热特性,对于热源面和中心热点均具有良好的散热效果。     

基于拓扑优化的自发热体冷却用植入式导热路径设计方法

对于具有较低导热系数和较高生热率的热源材料(自发热体),通过优化植入内部的高导热材料的布局以降低内部温度,是实现自发热体冷却的重要措施.如何设计自发热体内部高导热材料的布局,是实现热源内部热量高效收集和温度控制的关键问题.本文研究建立植入式导热路径的拓扑优化设计方法,考虑高导热材料的植入对于热源分布的影响,以实现自发热体冷却的内置导热路径最优设计.基于固体各向同性材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization,SIMP)拓扑描述方法,以高导热材料的相对密度为导热路径描述参数,分别选择合适的热传导系数和生热率的插值模型以建立热传导系数和生热率与相对密度的关系,并以结构散热弱度最小为目标,建立了植入式导热路径设计的拓扑优化数学模型和求解方法.该优化模型能够反映高导热材料的布局对热源布局的影响.通过具体算例,给出了贴片式散热路径与植入式散热路径的拓扑优化结果.设计结构表明,两种优化模型获得的最优散热构型存在较大不同,并且考虑植入高导热材料对热源布局影响的设计结果散热性能优于贴片式散热路径的设计结果.数值算例验证了本文所提出方法的正确性和有效性.      

锚杆与围岩加载过程的红外热像模拟实验研究

应用红外热像技术，对锚杆与围岩加载变化破坏过程中的红外辐射现象进行 了实验研究. 结果表明： 无锚杆试块红外辐射温度随着荷载增加，呈现整体均匀升温变化；试块布置锚杆后其承载能 力增加，红外辐射温度也明显升高，应力峰值后，在锚杆周围形成一个由不同等温线组成的 区域，由内向外温度逐步降低，锚杆周围红外温度场与应力场，在形状和空间分布上有很好 的相似性，红外热像高温区和低温区分别对应高应力区和低应力区.     

锚固体红外温度场与应力场特性研究

为了研究锚固体力-热耦合机制,分别对不同类型的锚固体加载变形破坏过程进行试验研究。应用红外热像技术,获得红外温度场,同时对锚固体进行应力场数值分析。结果显示:中心位置布置单根锚杆的锚固体;应力峰值前,随着荷载的增加,红外温度场呈现整体均匀性升温变化;应力峰值后,在锚杆周围形成一个由多条不同等温线组成的区域,其形状是以锚杆为中心的近似圆形区域,由内向外,温度逐步降低;有锚杆一侧围岩红外温度高于无锚杆一侧,锚杆周围形成一个近似"喇叭"状的等温线图,高温等温线对应高应力区,低温等温线对应低应力区,红外温度场与应力场之间存在空间分布对应关系。     

锚固体变形破坏过程中红外温度场与应力场的分析与比较

应用红外热像技术分别对不同类型的锚固体加载变形破坏过程进行了试验研究。试验结果表明,对于中心位置布置单根锚杆的锚固体:应力峰值前,随着荷载的增加,红外温度场呈现整体均匀性升温变化;应力峰值以后,在锚杆周围形成一个由多条不同等温线组成的区域,其形状是以锚杆为中心的近似圆形区域,由内向外温度逐步降低。有锚杆一侧围岩红外温度高于无锚杆一侧,锚杆周围形成一个近似"喇叭"状的等温线图;高温等温线对应高应力区,低温等温线对应低应力区;红外温度场与应力场的空间分布存在对应关系。     

衰变热源作用下饱和多孔介质热固结问题的扩展精细积分法

热源作用下饱和多孔介质热固结效应是土木及能源工程领域的一个重要课题.由于问题的复杂性,已有的研究大多将介质假定为均匀各向同性,且将热源假定为恒定强度.实际工程中,天然饱和多孔介质常表现出明显的分层特性,热源强度也存在衰变性,为此本工作采用扩展精细积分法对衰变热源作用下层状饱和多孔介质的热固结问题进行研究.借助于积分变换,将饱和多孔介质热固结问题的偏微分方程转化为变换域内的常微分方程;然后对饱和多孔介质微层元进行合并消元,并结合边界条件,推导出衰变热源作用下层状饱和多孔介质热固结问题在积分变换域内的扩展精细积分解;对所得解答进行相应的数值积分逆变换,可获得所求温度、超静孔压及竖向位移在物理域内的解答.基于上述求解过程,编制相应的计算程序进行数值计算,通过与已有文献对比,验证本文扩展精细积分法在求解层状饱和多孔介质热固结问题中的适应性和正确性;最后通过几组算例,分析热源衰变周期、热源埋深及介质的成层性对热固结效应的影响.结果表明:热源衰变周期对温度和超静孔压的峰值、以及达到峰值的时间均有明显影响,衰变周期越长,二者峰值均越大,且达到峰值所需时间越长;热源埋深对超静孔压及竖向位移变化影响显著,深埋热源作用时热源两侧竖向位移呈对称分布,而浅埋热源两侧则无此现象;饱和多孔介质的分层特性对热固结效应影响明显.     

初始和边界不同恒温时二维梯度板瞬态温度场

为了研究二维功能梯度板的平面瞬态温度场及影响因素,假设热导率和容积比热容在板的高和宽方向为同一类型指数函数分布,基于该板的瞬态热传导基本方程,采用分离变量法,导出在初始和边界不同恒温时该板平面瞬态温度场的级数解析解。通过两种方法的对比,验证了本文研究结果的正确性。结果表明：方板内的等温线,在梯度参数ALFA=BETA时,对称于板的450对角线分布,在ALFA=BETA=0时,对称于板的中心分布;在ALFA不等于BETA时,板的等温线不具对称性;随着冷却时间的增加,非均匀板的等温线向左下（或右上）角移动,右上（或左下）角等温线间距变宽,左下（或右上）角等温线间距变窄,且矩形板的冷却过程比方板更快。因此,可选择适合的梯度参数和几何形状来满足设计、应用和热应力分析的需要,该解析解可作为检验其他近似方法的参考标准。     

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。     

底部热加载下两层多孔介质热流耦合现象研究

底部热加载条件下非线性流动传热问题的求解一直是多孔介质研究领域的难题。采用实验测试及数值模拟的方法,对底部热加载方式下两层多孔介质内热流耦合对流传热解的特性进行了研究。研究结果表明:在小瑞利数工况下,两层多孔介质内骨架内材料比例对温度场分布和非线性特性有重要影响;确定了非线性分叉、震荡解的特征值,并计算出了不同材料比例下的分叉及震荡所对应的临界瑞利数;通过实验验证了底部热加载时两层多孔介质内温度随时间呈非稳态震荡变化。结论可为实现热流分层、局部削弱或强化传热提供参考。     

数控机床电机散热温度场的数值模拟研究

电机作为数控机床的核心部件，其性能影响着机床主轴系统的精度、电机效率和使用寿命．因此，合理设计高速电机的结构使其处于最佳的温度场，了解电机在运行过程中各空气区域内的速度及温度分布非常重要．本文以某机床的电机定转子作为研究对象，利用CFD软件对转子通风道的设计方案进行数值模拟，通过数值模拟分析电机内部的流场温度场及流场分布．根据模拟结果进行优化设计，在转子和定子之间进行单排孔和双排孔的优化方案设计，通过温度分布确定最佳设计方案，为电机转子通风道的散热优化设计提供有意义的参考．     

空气隔热夹层围岩温度场数值计算及试验分析

随着矿产资源的开采深度日益增加,矿井高温热害问题日益突出,研究新的隔热技术、隔热工艺已经成为控制围岩传热的重要研究方向。鉴于空气夹层结构在建筑围护结构和寒区隧道中的保温隔热作用,提出应用封闭空气夹层控制巷道围岩散热量的方法。采用ANSYS Fluent软件求解了含空气夹层的围岩温度场分布。通过相似理论设计了含空气夹层的巷道围岩温度场测试试验台,并应用试验结果对数值计算结果进行了验证,两者具有很好的吻合性,证明了ANSYS Fluent模拟结果的正确性。应用计算模拟结果和试验结果分析了围岩内温度场非稳态传热过程中的变化规律,发现因空气夹层内自然对流现象的存在,顶部、中部和底部围岩温度场发展并不一致,但其调温圈无因次半径均小于无隔热巷道。并通过实例计算研究,发现空气层厚度对围岩散热量影响较小,空气夹层厚度从2 cm增加到20 cm时,围岩单位长度散热量仅下降5%;围岩导热系数对空气夹层隔热率有着显著的影响,导热系数为0.59 W/(m·K)比围岩导热系数6.18 W/(m·K)时夹层隔热率衰减速率快。封闭空气夹层隔热结构适用于新掘进巷道或高温隧道的临时性隔热或围岩导热系数高的固定或半固定作...     

太阳强烈辐射对大跨度球面网壳静力性能的影响

在太阳辐射下大跨度建筑物的外部温度场呈非均匀分布,阴面区域的温度低于阳面区域的温度.均匀温度场和非均匀温度场假定给出的分析结果不同.外部温度场受太阳辐射、风速、涂层材料及周围物体辐射反射率等因素的影响.采用简化方法实现大跨度空间钢结构在太阳辐射下外部温度场模拟,得到一个地区的球面网壳外部温度场的分布规律.使用有限元法分析外部非均匀温度场对网壳结构受力性能的影响.算例分析表明,均匀温度分布假定不适用于大跨度双层球面网壳结构的设计.     

氢气复合器的流场和温度场分析

为了配合除氢设备的开发,基于计算机模拟方法,分析了在不同结构布置下压力容器内和氢气复合器内的气体流场、温度场分布,从而预知了针对设计方案的设备运行状态和特点,为后续的技术研究和设计改进提出了参考性建议.     

半导体照明灯具典型散热结构分析与优化

本文在对功率型半导体照明灯具(LED)散热方式进行总结的基础上,分别针对两种典型散热结构,条形散热器和太阳花形散热器实际工作时的温度及周围流场分布进行热解析,通过与实测最高温度的比较,验证了本文所用数值模型和分析方法的正确性.通过对散热结构流场和温度场的分析,找出了原始设计方案的不足并提出改进方案,数值模拟结果显示优化结构可以大大降低灯具的工作温度,同时减轻灯具结构的重量.在此基础上,针对太阳花形散热器,构造了以散热结构重量为目标,以翅片几何参数为设计变量,以最高温度为约束的优化模型,基于参数化建模方法,对散热器结构参数进行了优化设计,给出了满足行业规范要求的散热器最优结构参数设计的图表和拟合曲线,为LED灯具散热器结构的工程设计提供了建议.     

墩底设置无黏结钢筋的铁路重力式桥墩在静力作用下的抗震性能分析

为了提高铁路重力式桥墩的延性性能，提出了在墩底局部设置无黏结钢筋的设计方法。设计5个不同无黏结钢筋类型的桥墩，采用数值分析方法研究无黏结钢筋数量及无黏结高度对桥墩抗震性能的影响。研究结果表明：墩底设置无黏结钢筋可有效改善铁路重力式桥墩的延性性能，且对桥墩的承载能力和刚度影响较小，但是会增加桥墩滞回曲线形状的“捏缩”效应；无黏结钢筋比例越大，桥墩的延性性能越好，钢筋无黏结高度在一定范围内对桥墩延性性能的影响较大；数值分析验证了在墩底布置无黏结钢筋的方法提高延性抗震性能的可行性。本研究成果可应用于铁路重力式桥墩抗震设计研究领域。     

一种考虑瞬态效应的散热结构导热路径设计的拓扑优化模型

实际工程中,热载荷多数具有短时和周期性特点,瞬态效应显著。目前的散热结构导热路径设计多基于稳态热传导模型,未考虑瞬态效应。本文提出了一种以区域温度控制函数作为设计目标的瞬态热传导问题的拓扑优化模型,能够实现在整个时间历程上特定区域内最高温度最小。使用伴随变量法,推导了目标函数关于设计变量的敏度计算格式。算例表明,基于本文优化模型获得的散热路径设计与基于稳态热传导模型的结果有明显差别,具有更优的散热性能。因此,时变热荷载下的散热结构构型设计需要考虑瞬态响应的影响。     

仿生猪笼草结构的水润滑轴承摩擦学性能有限元分析研究

水润滑轴承的轴瓦结构设计对其摩擦磨损和润滑性能有着重要影响. 为提升其摩擦学性能,设计一种轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承,主要为蜡质区的月牙形结构和唇部的径向脊形结构两类. 利用ANSYS Fluent对简化后的轴承润滑水膜模型进行流场分析,改变不同转速、载荷和不同织构形状、尺寸,探究水膜承载能力和减摩性能的优化情况并进行机理分析. 结果表明:通过比较不同织构形状、尺寸下的轴承水膜最大压力与摩擦系数,发现型号CC1006的月牙形织构和型号DR0102的径向脊形织构的水膜承载能力和减摩性能综合优化最佳. 通过改变不同载荷,发现轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承更适合应用于中速中载的条件下,此时其拥有优异的水膜承载能力与减摩性能. 该研究为仿生表面结构的水润滑轴承设计及摩擦学性能提升等提供了分析方法和理论依据.      

地震纵波作用下弧形沉积渠道的动态响应

借助Biot多孔介质波动理论,采用多极坐标和复变函数方法,对弧形沉积渠道在入射地震纵波作用下的动态响应问题进行了研究.首先利用复变函数求解半空间多孔介质和弧形沉积渠道中满足Helmholtz方程的复势函数在极坐标下的通解;然后在复平面极坐标下把半空间多孔介质和弧形沉积渠道中的应力、位移和孔压用各自的势函数通解表示出来,并构建两个半径不等的大圆弧分别表示半空间直边界和沉积渠道结构直边界,随后利用两个大圆弧边界条件、半空间多孔介质和沉积渠道结构的交界面的连续条件及透水条件列出一组方程组,并对其联立求解得出未知系数值,从而求出两种介质中的势函数的特解;最后用所求的势函数特解求解并讨论了半空间多孔介质与沉积渠道交界处动应力集中系数和孔压集中系数在不同的参数条件下的分布及规律.     

微重力环境下Marangoni对流的有限元数值模拟

本文以悬浮区为背景研究液桥中气液交界面上由表面张力所驱动的流体对流。我们采用有限元方法对轴对称、定常运动方程,能量方程,自由面切向、法向应力平衡条件迭代求解,首次考虑了边界形状的影响,得到了自洽的流区位形和流场、温度场、表面压强分布。一般说来,流区自由面呈弯月形。结果表明,只要表面张力数 C_a<1,静态平衡的流区位形就是动态情况的良好近似。本文还分析了C_a数及G_r 数对流区位形的影响,得到了不同 M_a 数及散热条件下的温度场和流函数分布。