一类输运问题的解析解及数值模拟

讨论了一类输运问题,求出了定解问题解析解的表达式,并绘出了数值模拟图,最后给出了解的物理意义.     

新型重力热管换热器传热特性的数值模拟

提出新型结构形式的重力热管换热器,通过合理简化,建立单根竖直管道的稳态传热物理模型,分别对冷凝段、绝热段和蒸发段建立相应的稳态传热数学模型,应用等热流密度边界条件并通过工程方程求解器(EES)进行了数值计算.计算结果表明:运行热阻计算值总体波动不大,计算结果不能很好地反应充液率对运行热阻的影响;液膜厚度随加热功率增大而增加;液池高度随充液率的增加而增加;充液率较小时,较低加热功率对应的液池高度大于较高加热功率对应的液池高度,充液率较大时,小加热功率对应的液池高度反而低于大加热功率对应的液池高度.     

水下采油树过流通道温变规律和计算方法

水下采油树过流通道的稳态及非稳态传热特性对其流动保障设计和后期开井、修井非常重要,目前仍存在模型不完善、温降规律认识不清等问题。以南海某气田水下采油树为例,建立过流通道传热温度场的分析模型和径向温度分布函数,揭示过流通道在油气生产和关井8 h内的温变规律,形成水下采油树过流通道的温降效应计算分析方法。为降低水下采油树因低温高压生成水合物的风险,探讨深度1 500 m工况下不同热导率及厚度的保温材料的保温性能。结果表明：稳态工况下过流通道内流体的平均温度和内部油气温度基本一致;非稳态关井后8 h内过流通道内部油气温度与海水温度基本接近,但0～0.3 h为温度骤降区,热量交换最为剧烈,0.3～4 h为缓降区,4～8 h逐渐趋于稳定;基于南海某1 500 m气田的环境参数,5 mm的保温层可满足保温要求。     

关于最速渡江路线的解析解和数值解

本文用变分法,在渡江者游速大小恒定、水流速度大小恒定或随水域均匀变化两种情况下,求得了最速渡江线路的解析解,并在此基础上求得了比参考文献更优的数值解。     

人体上呼吸道内气流流动的数值模拟

建立了一个从人体口腔到前3级支气管的三维几何模型和流场计算模型,在此基础上分别对稳态呼吸时上呼吸道内的流场分布特性及非稳态呼吸时不同时刻呼吸道内的流场分布特性进行了数值模拟,获得了人体上呼吸道喉部、咽部、喉部声门及支气管等处的稳态呼吸和非稳态呼吸时气流流动规律.研究成果可以为可吸入颗粒物在人体上呼吸道内运动及沉积规律的进一步研究提供参考.     

基于楔形体的舌一维传热模型及其解析解

定量讨论生物体的传热规律，在建立所研究对象的生物传热模型基础上获得其解析解，以猪舌和人舌为研究对象，通过有创和无创实验方法获取舌体温度与血液灌注率间变化规律的实验曲线，研究舌体的传热过程。在理论计算中将舌体简化为楔形体，针对舌体的传热特性建立猪舌的准一维传热模型，方程的形式为二阶变系数非齐次方程，并求得其解析解。将人舌的有关数据代入模型进行验算，所得计算温度值与由热像仪测得的实验值变化趋势一致、此种建模及计算方法可从理论上定量分析血液灌注率与舌体温度分布变化之间的规律，同时说明人舌与猪舌温度分布随血液灌注率变化的规律相同。该模型亦适用于其他有内热源的近似于楔形肋生物体的传热计算。     

保温管道数值模拟及机器学习预测模型

通过模拟保温管道内流体的热传递过程,分析管道外径和保温层的热导率、密度、比热容、厚度对保温性能的影响规律,并使用机器学习对模拟所得数据进行训练,从而得到不同因素对保温性能的影响比重。结果表明,各参数特征中,管道外径占比39%、热导率占比37%、厚度占比13 %,密度及比热容两者共占比11%,故在影响管道保温性能的各因素中,管道外径、热导率、厚度占主要地位。各参数对保温性能的影响规律不同,多因素共同作用下,难以找到一个统一的函数模型来表达各参数对保温性能的影响规律。基于仿真模拟大量数据,利用机器学习建立预测模型,输入对应的参数即可预测相应的结果,该模型准确率达到99%,可以对实际应用进行指导。     

加气混凝土墙体非稳态传热的数值模拟

准确地确定围护结构动态热特性模型，有利于建筑室内热环境的设计和建筑节能。随着当今计算机速度的不断提高，有限体积法得到了很大的发展。应用有限体积法对华东地区加气混凝土墙体进行非稳态传热研究，并与传统的实心粘土砖外墙能耗进行比较，指出在该地区使用加氢混凝土外墙可以实现墙体节能50％的目标。     

干燥多孔物料的耦合传热传质方程组的显式解析解

对反映多孔物料干燥过程的耦合传热传质方程组，利用两种非常规的办法－加法分离变量法及倒求源项法，求出其可能有的显式解析解。除理论价值外，这些解还可以作为计算传热传质学中的标准解。     

物体沿圆弧轨道下滑时摩擦力的数值解与解析解

研究了物体沿圆弧轨道下滑时摩擦力的解析解以及较高精度的数值解。讨论了摩擦力分布特征和作功。     

日光温室中土壤—空气换热器作用下热湿环境的研究

土壤-空气换热器对日光温室内空气温湿度调节具有良好的效果。为了研究日光温室中土壤-空气换热器作用下日光温室内热湿分布特性,建立了土壤-空气换热器作用下日光温室热湿环境数值模拟模型。该模型基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,利用FLUENT15.0进行了稳态和非稳态的数值求解;采用组分运输模型和DO模型分别对湿度和太阳辐射进行了三维数值模拟。结果表明:模型能够对土壤-空气换热器作用下日光温室内热湿环境特性进行较准确的研究。在距日光温室地面0.5~2.5 m处,土壤-空气换热器对日光温室内空气温湿度处理具有良好的效果。     

地下连续墙内埋管地热换热器传热模型

根据地下连续墙内埋管的结构形式和传热特点,建立开挖面以上和开挖面以下两部分的地下连续墙内埋管传热模型,并采用格林函数法推导其解析解.该模型能求解带有随时间变化的内热源、非齐次边界条件的复合介质热传导问题,可用于地下连续墙及周围土体内的温度场分析,还可用于地下连续墙内埋管布置形式、埋管间距以及间歇运行时间等参数的优化分析.     

热害矿井气流与围岩热交换的数值模拟

为了研究热害矿井中的气流与围岩热交换问题,基于热力学理论建立了气流与围岩热交换的数学模型,并采用METLAB对数学模型进行求解。计算和实验对比结果表明,在通常情况下闹岩中温度场和温度矢量的分布是对称的,气流速度会明显影响温度的分布．但不会改变温度场的对称分布状态。巷道的温度会随着气流速度的增加而降低,但并没有急剧减小,因此风速的确定应与矿井通风相结合。     

翅片间距对热沉散热功率的影响研究

通过数值模拟手段,对水平放置的热沉在自然对流条件下的散热状况进行了研究．研究发现在热沉的宽度不变的条件下,减少翅片间距（相当于增加热沉上的翅片数目）并不能增加热沉的对流散热功率．通过对比对热沉的数值模拟结果并结合理论分析可知,在水平放置的直翅片热沉中,在翅片间存在一个空气停滞区,该区域内空气几乎不流动,这个特点影响了热沉自然对流散热性能的发挥．随着翅片间距的缩小这个区域面积增加．翅片间距有一最佳数值,在该最佳间距下热沉散热功率最大;翅片间距超过最佳值时,将因减少翅片面积而降低热沉散热功率;翅片间距低于最佳值时,将因减小有效散热面积而降低热沉散热功率．     

太阳能相变蓄热炕的实验及数值模拟研究

为实现太阳能相变蓄热炕的快速升温,采用毛细管网及配置高导热复合相变材料来提高炕体的热响应时间,通过数值模拟与实验研究相结合的方法对炕体的热工性能进行研究。本文首先对比不同熔点石蜡的差示扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)曲线,选取35#石蜡作为研究对象,采用熔融混合法制备不同配比的石蜡-膨胀石墨复合定形相变材料;并通过渗漏测试确定最佳配比。实验表明:当膨胀石墨质量分数为8%时,复合定形相变材料渗漏率较低,为兼顾储热、导热性能的最佳配比。将石蜡复合相变材料应用于太阳能相变蓄热炕,通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)建立三维非稳态传热模型,对炕体进行24 h供热模拟设计;模拟表明:太阳能相变蓄热炕在昼间垫面温度达到24.2 ℃,夜间垫面温度达到30.2 ℃。通过Trnsys(transient system simulation program)软件对组合式系统进行运行模拟发现:组合系统均可达到设计的45 ℃及以上;另外,组合式系统全年节电量为2 974.7 kW·h,或节省标准煤469.9 kg,或减少二氧化碳1 240.5 kg、一氧化碳70.9 kg、PM₁₀6.8 kg等,节能减排量显著。     

车用散热器百叶窗布置方式的数值模拟与分析

针对车用百叶窗翅片式散热器的传热和流阻特性,采用数值模拟计算方法对百叶窗对称布置和非对称布置2种方式的散热器进行了研究分析,通过计算百叶窗翅片空气侧的传热量、传热因子和压降,以及散热器综合性能评价因子,获得了综合性能较优的百叶窗布置形式.结果表明,在相同的进出口边界和给定的几何参数条件下,对称布置的百叶窗翅片具有较高的传热性能,但流阻性能较差.当空气入口速度为5.58,m/s时,与非对称形式相比,对称布置时的传热量提高了14.7%,压降却增加了29.3%;在不同的空气入口速度条件下,对称布置时百叶窗翅片具有较高的散热器综合性能评价因子,因此,百叶窗对称布置时散热器综合性能较好.     

可拆式螺旋板换热器传质传热的数值模拟

应用计算流体动力学（CFD）和数值传热学方法,建立了考虑可拆式螺旋板换热器（DSHE）内流动与传热的三维数学模型,分析了换热器内流体的流速、流向、流动状态以及换热器高度、流道间距、接管形式等流动与结构参数对传热系数、系统压降及传热-压降性能系数凤等参数的影响．结果表明,几何结构一定时,流速增加会使传热系数增大、压降增大、性能系数减小,但相比之下,适当提高油侧流速比提高水侧流速对强化传热更经济有效;而在流量一定情况下,随换热器高度或板间距增大,传热系数和压降会减小,传热-压降性能系数EK会提高,但螺旋板圈数增加却会使传热系数、压降、传热-压降性能系数均有不同程度的劣化,同时金属板材消耗量增大,经济性降低．此外,切向接管和逆流流动更有利于强化传热和减小压降,换热器综合性能更好．这些结果对可拆式螺旋板换热器的结构优化与参数调试具有重要的参考价值和指导意义．     

土壤-空气换热系统传热的数值模拟

采用土壤自然温度场与空气冷却效应的叠加方法,对土壤-空气换热系统的出口温度和传热性能进行了数值模拟,并通过计算探讨了埋管的深度、管长和管径对换热器进出口温度的影响．分析结果表明,换热器的出口温度随着埋管入口温度的周期性变化而呈周期性变化;随着埋管深度和管长的增加,换热器的出口温度降低,同时出口温度的变化幅度减小;随着管径的减小,埋管出口温度降低,出口温度波动减小,换热系统的降温供冷性能提高。     

烧结余热回收竖罐内料层传热过程数值计算

罐体料层内气固传热过程是决定罐式回收是否可行的主要因素之一.采用Comsol Multiphysics软件,基于稳定传热前提下,计算了罐体料层内气固传热过程,研究竖罐内的传热规律.研究结果表明:气固比和料层高度是影响料层气固传热的最主要因素,随着气料比增加,烧结矿和气体出口温度逐渐降低,气体所携带的值呈现出先增加后减小的趋势;随着料层高度增加,气料比逐渐下降,气体出口温度逐渐增加,气体携带的值呈现先增大后减小的趋势.针对国内某典型360m2烧结机,配套单罐体,料层高度6～7m,气料比为1 500～1 650m3/t;配套双罐体,料层高度5～6m,气料比为1 360～1 550m3/t.     

黄原胶在热管生物反应器中传热数值模拟

采用计算流体力学(CFD)方法,研究了多种因素对黄原胶水溶液在传统反应器与热管生物反应器中传质与传热状况的影响,通过数值模拟得到了反应器中流动场、温度场和全釜死区分布.结果显示:经典最大叶片式桨及改进最大叶片式桨都具有"双循环"流型结构,在釜内形成了良好的主体循环流动,有利于改善反应器内的传质与传热,验证了热管的使用没有对反应器中的流动场造成严重的影响;而温度场的比较则表明:热管的使用明显提高了反应器的传热性能,使反应器中的整体温度有明显下降.