Experimental Design and Methodology for Estimation of Local Heat Transfer Coefficient in Jet Impingement Using Transient Inverse Heat Conduction Problem

Abstract

This article aims to employ a two-dimensional inverse heat conduction technique in designing an experiment for accurately estimating the local convective heat transfer coefficient in slot jet impingement, given temperature measurements at some interior locations in the target plate. The method uses a sequential procedure together with the Beck function specification approach. Solution accuracy and experimental errors are examined using simulated temperature data. It is concluded that a good estimation of the space variable heat transfer coefficient can be made from the knowledge of the transient temperature recordings. The technique is used in a series of numerical experiments to provide the optimum experimental design for a slot jet impingement heat transfer investigation.     

水射流冷却过程中表面热流密度的预测

建立了由内部一点测量温度值,选取多个时间步长计算未知的表面热流密度与换热系数的导热反问题算法。该算法采用有限容积法离散方程,附加源项法处理边界条件。将该计算模型应用于求解浸没水射流冷却过程中表面热流密度,将计算温度值与实验测温值进行比较验证了算法的正确性。在此基础上分析了水射流冲击过程中薄钢片表面热流密度随表面温度与时间的变化特性。     

Estimation of Uncertainty in an Analytical Inverse Heat Conduction Solution

The method of sequential perturbations is applied to find the uncertainty in estimated surface temperature and heat flux from a two-dimensional analytical inverse heat conduction problem related to impinging jet quenching experiments. It is shown that for meaningful uncertainty estimates, the inverse solution itself must be formulated such that it can be interpreted as giving average surface conditions over a small period of time and space. A procedure for estimating the time and space resolution limits of the solution is proposed.     

二维变几何域下的表面热流反演

采用共轭梯度法,给出二维变几何域下的热流反演算法,并对算法的有效性和稳定性进行验证.结果显示:测点数目对反演结果有较大影响,测点数目的选取和热流的空间变化剧烈程度有关;反演初值的选取对反演结果,尤其是末时段,会有较大影响,应尽可能选择传热过程末时刻热流作为反演初值.     

薄片激光器喷流冷却技术

为了分析喷流冷却技术对薄片激光器的冷却效果,从湍流换热理论出发,定义了评定喷流冷却换热能力和冷却均匀性的两个参数:面均对流换热系数和平均最大温差。利用ANSYS CFX流体力学仿真软件,建立喷流冷却的物理模型,对多种喷板结构进行求解计算。设计加工了整套喷流冷却实验装置,并进行了模拟热源喷流冷却实验。分析结果表明,喷流冷却换热能力和冷却均匀性主要受喷板结构参数的影响,仿真计算结果可以定性地指导喷板结构参数的优化设计。     

二维稳态热传导逆问题初步研究

在用有限控制体积法对二维稳态热传导问题进行成功数值模拟的基础上,首先介绍了处理二维稳态热传导逆问题的两种方法:灵敏度法和伴随方程法;然后分别用这两种方法对一典型的圆环域边界条件反演问题进行了计算,并就测量误差对反演结果的影响做了初步分析.结果表明,灵敏度法和伴随方程法都是求解二维稳态热传导逆问题的有效方法.     

无损辨识时间依赖型内热源的 Monte Carlo方法

本文提出一种无损辨识时间依赖型内热源的Monte-Carlo算法,并成功地对两类不同形式的内热源进行了重构,结果证明了该算法的有效性.本文方法很容易推广到复杂的三维情形,也可推广用于空间依赖型内热源的无损辨识.     

3ω法研究微尺度下铂丝自然对流换热

建立了测量微细丝表面空气自然对流换热系数3ω法模型。利用3ω法测量了直径为10.6μm水平和垂直方向铂丝表面室温下的空气换热系数。水平和垂直铂丝产生的三次谐波比较接近,结果说明,微尺度下空气的自然对流换热以导热为主,自然对流作用可以忽略。基于3ω线法原理,引入形状因子并提出了微尺度下铂丝表面换热系数的理论计算模型。空气自然对流换热系数远大于大尺度下的值,主要原因是铂丝的面积体积比值大。     

导热几何形状反演的变分原理及边界条件的确立

本文采用变域变分原理,建立了导热几何形状反演问题的变分原理,同时获得了该问题所需满足的边界条件和附加条件.该变分原理能将未知形状的几何变量及控制方程结合在一个变分泛函中,使得数学描述简洁、紧凑,且几何变量及控制方程的求解能耦合地进行.介绍了运用该变分原理并结合有限元方法进行数值计算的方法.关键词：几何形状反演变分原理有限元导热     

薄片激光器喷流冷却技术

为了分析喷流冷却技术对薄片激光器的冷却效果,从湍流换热理论出发,定义了评定喷流冷却换热能力和冷却均匀性的两个参数：面均对流换热系数和平均最大温差。利用ANSYS CFX流体力学仿真软件,建立喷流冷却的物理模型,对多种喷板结构进行求解计算。设计加工了整套喷流冷却实验装置,并进行了模拟热源喷流冷却实验。分析结果表明,喷流冷却换热能力和冷却均匀性主要受喷板结构参数的影响,仿真计算结果可以定性地指导喷板结构参数的优化设计。     

非线性二维稳态导热反问题的一种新解法

1引言导热反问题，是指根据实验测得的物体表面或内部某些位置的温度值，通过求解导热微分方程，反推导致这一结果的原因。在数学上是一种不适定问题，求解结果对测量误差十分敏感，即使有较小的测量误差也会带来较大的影响。待定边界条件类型的导热反问题在工程和科学试验中有广泛的应用背景。许多学者对此进行了研究，但多停留在一维和二维线性问题上，对多维非线性问题的研究较少［‘－’］。Beck山对一线问题讨论了五种求解方法：分析法，D’souza法，Weber法，RB方法和HillHensel方法，其中前三种不能求解非线性问题，后两种对非稳…     

共轭梯度法求解双曲传热多宗量反问题

提出双曲传热反问题热物性参数和边界条件多宗量联合反演的一般数值求解模式,考虑了非均质和分布参数的影响,时域上采用时域精细算法进行离散,建立了便于敏度分析的有限元正演模型.由最小二乘原理建立反演模型,应用共轭梯度法进行求解.探讨了时间步长和测量误差对反演结果的影响,并进行了数值验证.     

斜翅型冷凝强化换热管传热性能的实验研究

对一种斜翅型外翅片带内螺纹的冷凝强化换热管进行传热性能的实验研究.管外冷凝换热的制冷剂为R134a,管内对流换热的介质为水.分别在定热流密度与定水流速的条件下进行一系列工况的实验,得到相应的实验数据.在定热流密度条件下,利用Wilson图解法得到管内的换热系数数据及相应的计算关联式.在定水流速的条件下,利用分离方法得到管外冷凝换热系数数据及相应的计算关联式.将强化管换热系数数据与光管换热系数的理论计算值进行了比较,结果表明:冷凝强化换热管管内对流换热的强化倍率为2.4,管外凝结换热系数随壁面过冷度的增加而增大,管外凝结换热的强化倍率为:1.78 ～3.92.     

R-113圆形射流冲击模拟电子芯片单相对流换热的实验研究

1前言随着电子计算机技术的飞速发展,电路的集成化程度日益提高,芯片的热负荷也不断增大。据报道,在本世纪末,芯片表面热流密度将达106W／m‘II］。如果没有有效的冷却技术,芯片温度一旦超过设计标准,就会导致性能急剧恶化,故障率大大增加。而目前工业上普遍采用的风冷技术,无论是自然对流还是强迫对流,都由于空气热容小,流速受到噪声的限制又不可过大,因此冷却能力一般不超过10‘W／m‘［‘］。在这种情况下,冷却技术的改进对微电子发展起着至关重要的作用。射流冷却时流体法向冲击传热表面,形成很薄的速度和温度边界层,因…     

带源参数的热传导反问题的无网格方法

利用无网格有限点法求带有源参数的一维热传导反问题,推导了相应的离散方程.与其他基于网格的方法相比,有限点法采用移动最小二乘法构造形函数,只需要节点信息,不需要划分网格,用配点法离散求解方程,可以直接施加边界条件,不需要在区域内部求积分,减小了计算量.用有限点法求解热传导反问题具有数值实现简单、计算量小、可以任意布置节点等优点.最后通过算例验证了该方法的有效性.     

同时反演材料热传导系数和比热的算法

讨论同时反演随温度变化的热传导系数和比热的算法.首先将材料的热传导系数和比热表示成随位置和时间变化的函数,利用伴随方程法获得目标函数对k(x,t),C(x,t)的梯度;然后将材料的热传导系数和比热直接按温度区间分段离散,建立目标函数对k(T),C(T)梯度与目标函数对k(x,t),C(x,t)的梯度的关系;随后利用这种关系进行反演计算.算例表明,这样建立的将热传导系数和比热表示为温度的分段函数进行反演的方法是可靠有效的,并且具有良好的抗噪性能.     

共轭梯度法求解多宗量瞬态热传导反问题

提出瞬态热传导反问题中热物性参数和边界条件多宗量反演的一般数值求解模式,导出了敏度计算公式,并用共轭梯度法求解,探讨了测点数目、测量误差和变量初值对反演结果的影响,并进行了数值验证.     

基于伴随方程法的材料热传导系数反演方法

建立利用材料内部温度场的测量结果反演材料热传导系数随时间和空间位置变化函数的伴随方程法,参考迭代正则化的思想在优化过程中给目标函数设置停止准则.对典型算例计算表明,方法在测量噪声较小情况下能得出较为合理的反演结果.但在有测量噪声的情况下,反演结果与真值在边界x=0和L处存在着一定偏差.当测量噪声较大时,反演结果与真值的偏差较为明显,且初值选取会对反演结果有相当大的影响.     

探讨稳态法实验中的绝热问题

本文利用付立叶导热方程式 ,分析了导热系数测定仪在绝热问题上出现的漏洞与在制造上存在的缺陷 ,由此提出被测样品的侧面必须经过绝热处理 ,才能提高测量精确度的结论     

基于红外测温的试件内部缺陷的识别算法研究

内部缺陷形状位置的识别是传热逆问题的重要研究课题.本文对带有内部缺陷的试件建立了二维传热模型,通过有限元法求解了在一定加热条件下试件表面的温度分布;并通过共轭梯度法,提出了根据表面所测温度分布识别试件内部缺陷形状、位置的计算方法.数值实验证明了算法的有效性.