半无限体内双圆柱亚表面热波散射问题的研究

本文基于非傅里叶导热定律,采用波函数展开法,研究了含双圆柱缺陷非透明半无限体中热传播问题,给出了基于热传导波动模型的热波散射问题的一般解．温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热,分析了各物理参数对温度分布的影响,特别是热波波长对温度变化的影响,并给出了温度变化的数值结果。     

亚表面双球孔洞的热波散射与温度分布

基于非Fourier热传导方程,采用波函数展开法,对含双球形孔洞缺陷的半无限体材料内部的热波散射与温度分布进行了研究,给出了材料内部任一点温度的解析解和表面温度分布的数值计算结果。分析了孔洞的几何参数和物理参数对金属材料表面温度分布的影响。结果表明:相对热扩散长度、入射波波数和埋藏深度对表面温度分布的影响比较大,当孔洞间距较大时,可以忽略孔洞之间的热波散射。     

含双圆柱亚表面缺陷板条材料的表面温度分布

基于非傅里叶热传导方程,采用复变函数法和镜像法,研究了含双圆柱亚表面缺陷板条材料热波散射的温度场,并给出了热波散射温度场的解析解。分析了入射波波数、热扩散长度、缺陷的埋藏深度以及板条材料的厚度等对板条表面温度分布的影响。温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热。该分析方法和数值结果可为工程材料结构的传热分析、热波成像和材料内部缺陷评估,以及热物理反问题研究提供参考。     

功能梯度材料中异质圆柱夹杂的热波散射问题

基于非Fourier热传导方程,应用镜像方法考虑材料表面对热波的反射作用,采用波函数展开法研究了半无限功能梯度材料中亚表面异质圆柱夹杂的热波散射问题。给出了功能梯度材料中温度分布的一般解。分析了亚表面异质圆柱的几何参数(如夹杂大小、埋藏深度)和热物理参数(如导热系数、非均匀参数等)对功能梯度材料外表面温度的影响。热波可以通过谐和的调制激光加热在材料表面激发。本文可望为功能梯度材料的红外热波无损检测、热物理反问题的研究提供分析计算方法和参考数据。     

亚表面异质缺陷对功能梯度材料表面温度场的影响

基于双曲型热传导方程,采用镜像法和波函数展开法,求解了含亚表面异质圆柱缺陷的半无限功能梯度材料的表面温度场,给出了功能梯度材料中热波散射的一般解.分析了亚表面异质圆柱缺陷的几何参数(如埋藏深度)和热物理参数(如导热系数、热扩散长度、热扩散率及热弛豫时间等)对功能梯度材料表面温度场的影响.温度波由调制的超短脉冲激光在功能梯度材料表面激发,异质圆柱缺陷表面的边界条件为导热边界.研究结果可望为功能梯度材料的红外热波无损检测、导热反问题提供计算方法和参考数据.     

表面裂纹对掠入射垂直偏振横波散射的动态光弹实验分析

利用动态光弹法研究掠入射垂直偏振横波(SV波)在表面裂纹处的散射声场,给出不同倾斜角度的表面裂纹引起的散射声场分布和简化波前示意图。以垂直表面裂纹为例,有限元仿真和电法测量分别直接地和间接地证明了光弹实验结果的可靠性。表面裂纹引起的各类散射波与裂纹参量密切相关且容易区分,可使用一阶散射声波到达时间反演表面裂纹的长度和倾角,实验测量值与真实值的相对误差在6%以下。      

超急速传热时球体内非稳态热传导的非傅里叶效应

本文分析了球形物体表面加有一突然温度变化这类超急速传热情形下的热波传播特性．基于超急速传热条件下，热流矢的传播和温度梯度的形成之间存在时间延迟的概念，本文采用双曲型热传导方程来描述该高度非稳态热传导问题，得到了球体内部温度分布的解析表达式．同时将所得解与抛物型热传导方程的解进行了比较，分析了其热传导的非傅里叶效应与产生条件．     

多光束在分形粗糙表面散射的仿真

采用矩量法(MOM),分析了多光束在分形粗糙导体表面的散射分布.对在不同入射角、光束宽度控制因子、光束照射区宽度、表面均方根高度和表面分维数情况下的散射进行了数值仿真.仿真结果表明了各参量的变化对散射分布的影响.根据仿真计算结果给出了最佳的散射测量区域,为减少多光束测量的误差提供了一定的参考.     

平板在任意周期表面热扰动作用下的非Fourier热传导的求解与分析

分析了平板前表面遭受任意周期热扰动这类非Fourier传热情形下的温度响应. 采用双曲型热传导方程描述平板表面温度急速变化时的热传导问题. 为求解此类方程, 首先 利用分离变量法和Duhamel积分原理, 得到了平板前表面遭受突变热流和简谐热流两种情况下的解析解.然后, 在此基础上应用Fourier级数展开法和叠加原理, 获得了平板前表面热流任意周期变化时非Fourier热传导下温度场的解析表达式. 利用得到的解析表达式进行数值模拟, 分析了不同热松弛时间、 不同时刻和不同位置对温度响应的影响, 讨论了非Fourier热传导模型所给出的温度响应与Fourier热传导模型的差别. 这种方法能够处理许多在生产实际中具有周期边界条件的非Fourier热传导问题. 关键词： 非Fourier 热传导 周期变化 温度响应 平板     

高重复频率水冷Nd:YAG激活镜放大器的温度特性

为解决高重复频率大能量激光放大器的热管理问题,采用数值模拟与实验分析的方法,对背面水冷Nd:YAG激活镜放大器的流体散热进行了研究.基于低雷诺数k-ε湍流模型,建立了流-固共轭传热多物理场藕合分析模型,对比分析了近壁面处理方法对流体流动、对流扩散和热传导过程及温度分布的影响,分析研究了不同冷却液流量和泵浦参数对流场特性、激光介质温度和波前分布的影响.数值模拟表明:激光介质的温度分布与固液边界层内的黏性作用密切相关,且冷却液的热扩散主要发生在100μm范围内;激光介质的热沉积分布中心对称,而温度分布沿水流方向不对称,最大温升位于出水口端且基本保持不变;增益介质前表面的温度分布与介质的波前分布随冷却液流量非线性变化,而随泵浦参数线性变化;实验结果与数值模拟符合较好.     

有矩形脉冲内热源的平板中非傅里叶导热研究

 对矩形激光短脉冲能量以内热源形式在有限厚绝热平板内释放所导致的非傅里叶导热过程进行了理论研究，利用格林函数与有限积分变换方法求得了绝热平板内温度分布的解析解,分析了平板内热波传播与反射行为以及温度场的特征。研究结果表明，温度波动频率取决于平板厚度和材料的热弛豫时间，而其幅值则与内热源释放区域的大小和脉冲宽度的长短有关。     

太赫兹激励的红外热波检测技术

本文的目的在于探索一种新的适用于红外热波检测技术的热激励方式——太赫兹(THz)热激励. 文中介绍了THz波周期性热激励的热传导理论模型; 尝试利用返波振荡器(返波管backward wave oscillator, BWO)太赫兹源对一块碳纤维基底吸波涂层板进行周期性THz热激励, 红外热像仪连续观测和记录试件表面温场变化, Canny边缘算法处理热图像显示缺陷; 检测结果与闪光灯脉冲激励的结果进行比较, 讨论了太赫兹波激励红外热波检测技术可能的优势. 实现了THz技术与红外热波无损检测技术的结合.     

基于热质运动概念的普适导热定律

根据爱因斯坦的质能等效关系式,热能具有的等效质量称为热质,从而在固态和气态介质中分别建立了声子气质量和热子气质量的概念.应用牛顿定律建立了含有驱动力、阻力和惯性力的热质(声子气或热子气)运动的动量守恒方程.由于热量在介质中的传递本质上就是热质(声子气和热子气)在介质中的运动,所以热质动量守恒方程就是普适的导热定律,能够统一描述各种条件下的导热规律.当热流密度不是很大从而热质惯性力可以忽略时,热质动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律,这表明傅里叶导热定律是特殊条件下的导热定律,对于微纳尺度条件下的导热,热流密度可以极高,由速度空间变化引起的惯性力不能忽略,在稳态导热情况下也将出现非傅里叶导热,此时在计算或者实验中不能用热流密度除温度梯度求导热系数.在超快速加热条件下,必需考虑惯性力,与基于CV导热模型的波动方程相比,普适的导热定律增加了因速度空间变化引起的惯性力项,所以在介质中热波叠加时不会出现产生负温度的非物理现象,表明基于热质运动概念的普适导热定律更为合理. 关键词： 傅里叶导热定律 普适导热定律 热质运动 非傅里叶导热     

Non-Fourier heat conduction with radiation in an absorbing, emitting, and isotropically scattering medium

This article numerically analyses the combined conductive and radiative heat transfer in an absorbing, emitting, and isotropically scattering medium. The non-Fourier heat conduction equation, which includes the time lag between heat flux and the temperature gradient, is used to model the conductive heat transfer in the medium. It predicts that a temperature disturbance will propagate as a wave at finite speed. The radiative heat transfer is solved using the P₃ approximation method. In addition, the MacCormack's explicit predictor-corrector scheme is used to solve the non-Fourier problem. The effects of radiation including single scattering albedo, conduction-to-radiation parameter, and optical thickness of the medium on the transient and steady state temperature distributions are investigated in detail. Analysis results indicate that the internal radiation in the medium significantly influences the wave nature. The thermal wave nature in the combined non-Fourier heat conduction with radiation is more obvious for large values of conduction-to-radiation parameter, small values of optical thickness and higher scattering medium. The results from non-Fourier-effect equation are also compared to those obtained from the Fourier equation. Non-Fourier effect becomes insignificant as either time increases or the effect of radiation increases.     

Theoretical study of transient thermal conduction and temperature distribution generated by pulsed laser

Studied in this paper is the problem of transient thermal conduction and temperature distribution generated by laser pulses in a planar sample. Both of the classical parabolic and the hyperbolic equations of heat transport have been solved analytically and numerically, and the results indicate that the correction term of a finite thermal propagation velocity included in the hyperbolic equation can be ignored in the normal case. However, under some special conditions, such as in low-temperature or in a short-transient process, the influence of the propagation term must be considered. In these cases, the thermal conduction will behave as an attenuated wave motion.     

一维均匀Morse晶格体系的热流棘齿效应

本文系统研究了系统两端无平均温差时一维均匀Morse晶格中的热流棘齿效应. Morse晶格的两端分别与两个热浴相接触, 其中一端热浴温度周期调制,另一端热浴温度保持不变, 两端热浴温度长时平均相等. 数值结果表明, 当对一端热浴温度进行周期调制时, 系统中便会有稳定的定向热流产生. 通过改变调制频率和强度, 可以控制热流的大小及方向. 在合适的频率范围内, 可观察到一种非常有趣的现象——非定态负热导现象, 即系统中产生的定向热流逆着系统温度梯度方向由低温端流向高温端. 通过热波动力学分析(分析热流及温度分     

Molecular dynamics study of thermal stress and heat propagation in tungsten under thermal shock

Using molecular dynamics （MD） simulation, we study the thermal shock behavior of tungsten （W）, which has been used for the plasma facing material （PFM） of tokamaks. The thermo-elastic stress wave, corresponding to the collective displacement of atoms, is analyzed with the Lagrangian atomic stress method, of which the reliability is also analyzed. The stress wave velocity corresponds to the speed of sound in the material, which is not dependent on the thermal shock energy. The peak pressure of a normal stress wave increases with the increase of thermal shock energy. We analyze the temperature evolution of the thermal shock region according to the Fourier transformation. It can be seen that the “obvious” velocity of heat propagation is less than the velocity of the stress wave; further, that the thermo-elastic stress wave may contribute little to the transport of kinetic energy. The heat propagation can be described properly by the heat conduction equation. These results may be useful for understanding the process of the thermal shock of tungsten.