固体熔化过程中不同流动与传热机理分析

1引言随着激光加工技术的发展以及太空高新性能材料探索，具有自由表面的固液相变问题倍受关注[1]。由于从上方加热熔化问题，熔池内不易产生自然对流，因此常忽略了对流，传导作为唯一传热机理。但自由表面由于有温度梯度，势必存在Marangoni流的作用[2]，其结果可能将与传导模型有很大差别。本文将针对这类过程，考察浮升力、表面张力对固液界面的形状、位置及熔池流场的影响。计算中将固相、液相分开，分别采用相应的数学物理方程解决，边界通过移动边界能量守衡方程进行处理，揭示表面张力在熔化过程中的作用及影响。2数学描述与计算方…     

基于伪焓法的多孔介质固液相变格子Boltzmann方法

格子Boltzmann方法是求解相变材料(PCM,phase change material)固液相变界面上复杂质量、能量和动量传递的有效方法。本文将伪焓LB模型推广至多孔介质固液相变中,构建相应的LB模型,并通过焓和温度的关系,获得下一时间步的焓、温度和对应液相率。为验证多孔介质固液相变LB模型的正确性,本文分别对一维Stefan问题和二维方腔多孔介质内固液相变问题进行求解。结果表明,在无自然对流作用下(一维Stefan问题),本文所构建模型能精确还原温度分布,与解析解相对误差控制在2%以内。除此之外,本文模型能反映自然对流对固液相变过程的影响,与已有工作差别较小,能准确追踪固液相变界面位置。     

半透明介质相变中的辐射变物性问题

半透明介质相变传热在许多工程领域引起关注,其实质是变物性条件下伴随相变的辐射-导热瞬态耦合传热问题,其难点在于相变过程中的辐射变物性问题,尤其是折射率的时空演变问题.本文首次研究相变过程中的变折射率问题.假设相变介质存在固相-糊状-液相区,固/糊界面、液/糊界面假定为半透明漫反射.采用多层辐射传递模型模拟相变介质内的辐...     

脉冲激光烧蚀块状靶材的双动态界面研究

给出脉冲激光作用块状靶材的烧蚀模型.根据能量平衡原理,导出烧蚀面的位置随时间的变化关系.利用绝热近似、温度连续性条件和能量平衡原理来获得烧蚀面与固液相界面边界条件.结合热传导方程,利用精确解与积分近似法相结合的方案,给出固液两相的温度分布与时间和位置的变化关系,以及固液相界面的位置随时间的变化规律,并与已有的理论和实验结果进行比较.最后以铝靶为例计算模拟了激光烧蚀的全过程计算. 关键词： 脉冲激光 等离子体 固液相界面 烧蚀面     

相变微胶囊复合板相变传热数值研究

本文以相变微胶囊复合板隔热组件为研究对象,基于焓法方程建立了蓄热/隔热型耦合相变传热数值模型,预测了板内的温度分布、相界面移动等响应特征,系统地分析了Stefan数及相变温度区间对传热的影响。结果表明:相变微胶囊板内固相界面的移动速度大于液相界面,固相界面消失后,液相界面移动明显加速;固、液相界面移动速度随Stefan数的增大而增快,同时板内整体温度水平升高;固相界面移动速度随着相变温度区间的增大而增快,但相变温度区间对相变材料完全熔化所需时间影响不大。     

低温液氧箱体自由界面晃动动态响应

采用计算流体力学(CFD)技术数值研究低温液氧贮箱在外部晃动激励下箱内气液界面动态响应。计算中详细考虑了外部漏热以及气液相间相变对箱体热力耦合过程的影响,通过用户自定义程序将外部正弦激励加载到低温贮箱壁面作为动量边界,采用流体体积(VOF)方法精确捕捉晃动过程气液界面波动变化。通过与相关晃动实验结果对比,验证了本文所构建数值模型的有效性。基于所构建数值模型,对流体晃动进行数值模拟,获得了外部正弦激励下,箱体内部气液相分布以及界面形状变化;通过设置动态监测点,分析了气液界面晃动动态响应。结果表明,流体晃动对低温贮箱内部气液界面动态响应具有较大影响。为抑制流体大幅波动,需采取合适的防晃措施。     

氘的气液界面及相变特性分子动力学仿真

氘作为重要的核聚变原料,其热物性数据是基础,而气液相界面特性和相变规律又是热物性的关键.国内外对氘的相界面特性研究甚少.本文基于分子动力学方法,采用截断移位Lennard-Jones 12-6势能函数模型描述原子间的相互作用,并考虑分子内部原子间键的谐振作用,对氘的气液界面特性及气液固相变过程进行了仿真研究,得到了氘在不同温度下气液界面过渡区域的厚度、表面张力值等;获得了氘的密度随相变过程的变化规律,并由此得出氘的熔沸点温度,上述计算结果与实验及文献值吻合良好.不仅从微观层面上揭示了氘的宏观热物性表征机理,而且所建立的仿真模型可直接用于预测缺乏实验工况下的氘热物性.     

低熔点合金相变换热特性实验研究

本文针对熔点为70°的Bi-Cd-Pb-Sn低熔点合金的相变换热特性开展了实验研究,讨论了冷却水流量对冷却速率及相界面移动速率的影响。结果表明:低熔点合金在冷却过程中出现明显的相变带,相变潜热释放完后合金温度出现陡降;冷却水流量越大相界面的移动速率越快,当Q80 L·h~(-1)时流量对固液相界面的移动速率影响减小,相同流量下固液相界面的移动速率随热阻的增加逐渐减小。     

伍德合金相变过程中固、液相熔点导热系数的测定

将Ｍ．Ｌａｍｖｉｋ教授提出的利用相界面移动速率测定热物性方法应用于共晶伍德合金相变过程中固、液相导温系数、导热系数的测定。通过测量金属试样电阻的变化可确定相界面的位置,由相变前沿的移动速率可算出通过试样的热流量,进而求得试样的导温系数和导热系数。对伍德合金的测定结果与文献值吻合较好,证实了这一方法是行之有效的。     

低熔点混合硝酸盐相变传热过程研究

为得到混合熔盐在单罐蓄热系统内的相变传热规律,本文针对具有低熔点的四元混合硝酸盐展开研究,采用VOF与焓-多孔介质耦合模型对底部加热条件下蓄热单元内相变材料(PCM)的相变蓄热过程进行模拟,并利用实验进行验证。结果表明:相变过程中罐内出现明显温度分层现象,固液界面出现波动。蓄热单元中所产生的自然对流强弱直接影响热量传递,同时固液相界面的位置决定自然对流的发展。本文研究结果对相变材料的高效利用与单罐蓄热系统的优化提供理论依据。     

利用LNG冷能的间接冷冻法海水淡化流程及其初步分析

介绍了一种利用LNG冷能进行海水淡化的间接冷冻法,即利用二次冷媒传递LNG气化过程中放出的冷量于海水的结冰过程,最终得到淡水。叙述其流程和优点,并指出选择二次冷媒的原因。对实验样机中的关键部件——结晶器的换热面积进行了估算,并给出其结冰过程中换热量、冰层厚度、换热系数等相关参数随时间的变化趋势。最后从能量效率和火用效率角度考察LNG冷能的利用效率。     

静电场对红细胞悬液冻结特性的影响

本文以红细胞悬液为研究模型,通过在对其进行慢速冻结的过程中引入静电场,具体研究了静电场对降温过程中红细胞悬液冻结特性的影响。实验结果表明:静电场在一定程度上改变了冰晶的形成与生长特性,抑制了晶核的形成, 使晶枝出现不对称生长,并减缓了冰晶的生长速度,这些影响随着场强的增加而逐渐加强。在较强的静电场的影响下,冰晶明显变粗,最终成为块状,细胞也不再与冰晶分离而是完全融入粗大的冰晶之中,在冻结的末期,细胞不再受到冰晶挤压,从而减少了其所受的机械性损伤。     

过冷水法冰浆制取的实验设计与分析

动态冰蓄冷技术是目前蓄能技术重要的研究方向之一,其中冰浆制取方式是研究的关键课题。冰浆具有良好的流动性,大的相变潜热和快速的释冷特性,是常规载冷剂的潜在替代物。该文给出了过冷水法冰浆制取的实验装置,采用纯净水和自来水为试样,在不同的条件下进行了对比实验,并分析了管内冻结情况。     

Monolayer ice

We report results from molecular dynamics simulations of water under confinement and at ambient conditions that predict a first-order freezing transition from a monolayer of liquid water to a monolayer of ice induced by increasing the distance between the confining parallel plates. Since a slab geometry is incompatible with a tetrahedral arrangement of the sp(3) hybridized oxygen of water, the freezing is coupled to a linear buckling transition. By exploiting the ordered out-of-plane displacement of the molecules in the buckled phase the distortion of the hydrogen bonds is minimized.     

基于LNG冷能的海水冷冻淡化机理研究

为利用液化天然气(LNG)的冷能实现海水冷冻淡化,研究了海水在超低温环境下的冷冻淡化机理,试验测试了海水在不同冷冻条件下的制冰淡化性能参数,分析了各因素对海水冷冻淡化过程的作用机理及性能影响,比较得出了该工艺系统的最优运行参数。该研究结果为基于LNG冷能的海水冷冻淡化系统工艺设计提供了重要的参考依据。     

动态冰浆传热特性的研究

动态冰浆由于具有较强的蓄能和传热能力,日益受到人们的重视。文中建立了动态冰浆传热特性的数理模型,并利用已知的载流溶液和冰晶的物性参数,得到了动态冰浆在水平直管、等热流加热条件下的传热系数,根据计算结果,分析了传热系数随着冰浆浓度的变化的规律和冰浆流速和管径对动态冰浆传热性能的影响。     

Water–heat migration and frost-heave behavior of a saturated silty clay with a water supply

In this study, a large-scale one-directional freezing experiment with water supply was performed to investigate the water–heat migration and frost-heave behavior of the saturated silty clay. The results indicate that the temperature gradient is larger in the frozen zone than that in the unfrozen zone because of the heat release of the supplied water and its water–ice phase change during the freezing process. Furthermore, the different parts of the total frost heave are evaluated, respectively, and it is also found that the frost heave can be reduced if the advance rate of the freezing front is effectively controlled even if external water is sufficient.     

Dislocation mechanism for transformation between cubic ice Ic and hexagonal ice Ih

Cubic ice I_c is metastable, yet can form by the freezing of supercooled water, vapour deposition at low temperatures and by depressurizing high-pressure forms of ice. Its structure differs from that of common hexagonal ice I_h in the order its molecular layers are stacked. This stacking order, however, typically has considerable disorder; that is, not purely cubic, but alternating in hexagonal and cubic layers. In time, stacking-disordered ice gradually decreases in cubicity (fraction having cubic structure), transforming to hexagonal ice. But, how does this disorder originate and how does it transform to hexagonal ice? Here we use numerical data on dislocations in hexagonal ice I_h to show that (1) stacking-disordered ice (or I_c) can be viewed as fine-grained polycrystalline ice with a high density of extended dislocations, each a widely extended stacking fault bounded by partial dislocations, and (2) the transformation from ice I_c to I_h is caused by the reaction and motion of these partial dislocations. Moreover, the stacking disorder may be in either a higher stored energy state consisting of a sub-boundary network arrangement of partial dislocations bounding stacking faults, or a lower stored energy state consisting of a grain structure with a high density of stacking faults, but without bounding partial dislocations. Each state transforms to I_h differently, with a duration to fully transform that strongly depends on temperature and crystal grain size. The results are consistent with the observed transformation rates, transformation temperatures and wide range in heat of transformation.     

太阳能液体干燥剂除湿潜能储存热质传递过程研究

对液体干燥剂制冷和除湿能力贮存环节进行了分析,给出一种太阳能干燥剂再生转换装置传热传质数学模型．该储能方式没有因储能介质与周围环境存在温差产生的冷热损失,对ＣａＣｌ２和ＬｉＣｌ等典型液体干燥剂的分析表明,理想情况下,二者的储能密度可达１０００ ＭＪ／Ｍ３和 １４００ ＭＪ／ｍ３,远大于水和冰的蓄能密度,储能密度还受太阳辐射、面盖间距、环境条件等因素影响．     

水滴撞击结冰过程的分子动力学模拟

利用三维分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度水滴撞击冷壁面的结冰过程.数值模拟中,统计系统采用微正则系综,势能函数选用TIP4P/ice模型,温度校正使用速度定标法,牛顿运动方程的求解采用文莱特算法,水滴内部结冰过程则通过统计垂直方向水分子温度分布来判定.研究发现,当冷壁面温度降低时,水滴完全结冰的时间减小,但水滴降至壁面温度的时间却增大;同时随着壁面亲水性降低,水滴内部热传递速度减慢(尤其是冷壁面与水滴底端分子层间),水滴内部温度趋于均匀,但水滴完全结冰时间延长.