热惯性对热弹性行为影响的渐近分析

当热作用时间或受热器件结构尺寸呈现微尺度特征时, 热流运动的惯性效应将对热量的传递过程产生显著地影响. 基于热质的概念, 依据牛顿力学原理引入用于描述热质运动的热波方程, 结合各向同性材料的本构关系, 构建了计及热流运动惯性效应的广义热弹性动力学模型. 利用超常传热的微尺度特征, 采用解析的方法对半无限大体外表面受热冲击作用的一维问题进行了渐近求解. 通过对热波、热弹性波的传播和各物理场分布的分析以及与已有广义热弹性理论预测结果的对比, 揭示了热流运动的惯性效应对热弹性行为的影响. 结果表明：热量的传递除了受到热流加速的时间惯性影响之外, 热流运动的空间惯性也对传热行为产生影响, 当计及空间惯性时, 热波、热弹性波的波速、波前位置, 各物理场的建立时间、阶跃峰值及阶跃间隔均受到不同程度的影响. 关键词： 热惯性 热质运动 广义热弹性动力学模型 渐近分析     

基于热质理论的热波传递现象研究

基于热质的概念应用牛顿力学原理建屯了热质输运的控制方程,推导得到了普适的导热定律.在惯性力可以忽略时它即退化为傅立叶导热定律,反映出非傅立叶导热现象的本质是热质的惯性引起的.当热流和温度对空间的惯性以及温度对时间的惯性可以忽略时,所得到的导热定律可以退化为CV模型.对热波传递的数值分析表明:当热扰动和热流都比较小时,热流在空间加速的惯性可以忽略,基丁热质理论的热波方程和CV模型符合得很好;但是,在描述较大的热扰动时,由于热流的空间加速惯性不能够被忽略,CV模型的结果在两个温度波峰叠加时会出现负温度的非物理现象,而基于热质理论的普适导热定律的结果则克服了这一缺陷.     

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     

热质的运动与传递——热质和热子气

基于爱因斯坦的狭义相对论的质能关系建立了热质的概念。物体的热能所对应的动质量就是热质。提出了热子的概念和热子气模型。采用气体分子动理论导得了热子气的压力(热质压力)和热子气的状态方程。热子气中的热质压力梯度是热量(热子气)运动的推动力。     

热质的运动和传递-最低热质能耗散原理和热质运动方程

过增元基于质能方程提出了热质的概念.在非平衡热力学中,存在最低能量耗散原理,根据该原理可以导出热传导,扩散及粘性流动等不可逆输运过程的方程式.当采用热质模型对传热现象进行描述时,发现热质的运动也满足最小作用量原理:最低热质能耗散原理,根据该原理可以推导得出热质运动的动量守恒方程。     

超流氦浴中的热波传热研究

热波传热机制是超流氦传热非常重要的一个方面.在小热流密度的情况下,超流氦中的热波完全保持加热热流的波形,热量的传输完全靠热波来完成;随着热流密度的增加到一定程度,会在超流氦浴中激发量子涡旋.量子涡旋使热波发展成为热激波.在开放氦浴中,热波的波形不同于狭窄通道里的热波,在热波的尾部会出现一个冷却波;并且随着加热时间的变化,冷却波的形状和幅度会发生很大的变化.运用二流体模型和涡旋方程对超流氦中的热波进行了计算,实验结果与计算结果吻合得较好. 关键词： 超流氦 热波 量子涡旋 热激波     

从热质理论到能质理论

现有流变学本构方程大多是基于唯象模型或者通过对线性定律进行修正而导出的,物理意义不够清晰。本文借鉴热质理论,提出连续介质微元的动能同样具有当量质量,可以用能质控制方程导出普适动能输运定律。普适动能输运定律在不同问题背景下,可以导出牛顿黏性定律,胡克定律以及流变学中较为基础的线性黏弹性本构方程。能质理论推导流变学本构方程的过程是基于第一性原理,不仅物理意义清晰,而上揭示了热输运与动能输运之间的内在统一规律。     

热质的运动与传递-微尺度导热中的热质动能效应

基于热质(热量的当量动质量)的概念,通过建立和分析热质的运动方程得到了反映热质动能变化的稳态导热微分方程,表明Fourier导热定律只有在热质的动能变化相对热质势能变化很小而可以忽略时才成立;在高热流密度和低温的情况下热质的动能变化不可忽略,这种动能效应表现为热流密度和温度梯度不再成线性关系.动能效应也导致Fourier导热定律不能通过热流和温度梯度准确地获得物体的导热系数,本文基于热质运动方程给出了导热系数动能效应的修正式.最后针对高热流密度和低温一维稳态导热进行了分子动力学模拟验证.     

热粘弹波在变温非均匀合金熔体中的传播

机械波在金属凝固过程中传播的定量计算一直是一个难题,主要原因就是在这个过程中的熔体结构非常复杂.本研究考虑到熔体的变温、非均匀和粘弹性的特点,采用Kelvin粘弹性介质模型,建立了具有粘热损失特性的热粘弹性波动方程,通过隐式有限差分方法对波动方程进行求解,并以ZL203A合金熔体为研究对象,探究了热粘弹波在变温非均匀介质中的传播规律.结果表明:热粘弹波从合金熔体的低温区向高温区传播时,非均匀的温度场对波的传播有较大影响;相反,当波从合金熔体的高温区向低温区传播时,非均匀的温度场对波的传播几乎没有影响.热粘弹波在合金熔体中的衰减系数随频率的增大呈线性增大,而随温度的升高先增大后减小,在熔体的枝晶搭接温度附近达到最大值.     

热质的运动与传递-热子气状态方程

基于相对论原理,提出能量的运动可以产生压强．在热质概念的基础上,针对理想气体,根据分子动理论建立了热子气状态方程,从而得到理想气体分子的热运动动能压强的表达式．基于硬球势能模型通过分子动力学模拟验证了热子气状态方程的正确性．     

固体炸药爆轰的一种考虑热学非平衡的反应流动模型

基于固体炸药爆轰过程中化学反应混合区内的固相反应物与气相生成物处于力学平衡状态及热学非平衡状态的事实,提出一种考虑热学非平衡效应的反应流动模型来描述固体炸药的爆轰流动现象.该爆轰流动模型的主要特点是,在反应混合物Euler方程和固相反应物质量守恒方程的基础上,通过附加一套关于固相反应物的组分物理量的流动控制方程来表达固相反应物与气相生成物之间的热学非平衡效应.根据反应混合区内固相反应物与气相生成物这两种化学组分保持各自内能守恒的混合规则,并借助它们具有压力相等的性质以及满足体积分数总和为1的条件,推导获得的附加方程有：固相反应物的内能演化方程、体积分数演化方程及反应混合物的压力演化方程.这样,建立的爆轰模型包括：反应混合物的质量守恒方程、动量守恒方程、总能量守恒方程、压力演化方程,以及固相反应物的质量守恒方程、内能演化方程、体积分数演化方程.对所获得的爆轰模型方程组采用一个时空二阶精度的有限体积法进行数值求解,典型爆轰问题算例结果表明本文提出的固体炸药爆轰模型是合理的.     

双倒易边界元拓展于模拟生物组织中热波传播问题

1前言双倒易边界元是一个新发展的纯边界积分数值方法＊，乞今在热波传播问题的应用尚未见到报导。对热波在工程材料中传播的反射和衰减特性已作过一些研究，但它们均局限在快速温度变化及极低温情形．生物组织热波传播问题的研究则尚未见到报导。我们曾用有限差分法考察过一维情况下热波在不同时刻下的演化情况，算例中波形存在锯齿这是由于有限差分误差所致．热波问题的数值模拟，需要对热波及其分解、叠加和反射能进行准确定位与精确捕获。在已发表的有限差分泡括采用了TVD高精度算法）数值解中报道了热波前沿存在严重的数值脉动。边界…     

Wave mode diffusion and propagation in structural wave guide under Varying Temperature

A numerical approach is presented to study the guided wave propagation through periodic specimen with thermal dependence of material properties. There is a great interest in extending the skills of the wave finite element (WFE) method to figure out the variations in the wave propagation properties due to temperature fluctuations. Thermal effects on the dispersion curves thereby on group velocity are discussed. Comparisons between numerical results and analytical developments for various temperatures are given to prove the effectiveness of the proposed approach to predict the sensitivity of guided wave propagation characteristics in presence of temperature variations.     

The Smearing Out of the Thermal Initial Conditions Created in a Planck Era

In this paper the quantum heat transport in a Planck gas in the presence of the potential (other than the thermal one) is investigated. The new quantum heat transport equation which generalizes our potential-free QHT is developed. The thermal wave solution of QHT for a Planck gas is obtained and a condition for distortionless propagation of thermal wave is formulated. It is argued that the initial conditions of the Beginning (i.e., at t=0) are smeared in the time scale of the Planck time.     

Analysis of Transverse Mode Formation in Quasi-Three-Level Microchip Lasers

The effects of gain guiding and thermal guiding on the cavity mode formation for quasi-three-level microchip lasers are investigated. A parameter describing the dominant guiding mechanisms at the lasing threshold is defined. Paraxial wave propagation equation for the field envelope in the gain medium with thermal-induced refractive index profile and gain profile is derived. A comparison between the calculated results and those of experiments reveals that this model is quite reasonable and applicable not only to the Yb:YAG microchip laser, but also to other quasi-three-level microchip lasers.     

Influence of transparent coating thickness on thermoelastic force source and laser-generated ultrasound waves

A numerical model is established to investigate the influence of transparent coating thickness on the laser-generated thermoelastic force source and ultrasound waves in the coating-substrate system by using the finite element method (FEM). Taking into account the effects of thermal diffusion, the finite width and duration of the laser source, as well as the temperature dependence of material properties, the transient temperature distributions are obtained firstly. Applying this temperature field to structure analyses as thermal loading, the thermoelastic stress field and laser-generated ultrasound wave in the specimen are obtained. The generation and propagation of the laser thermoelastically induced stress field and ultrasonic waves in coating-substrate system are presented in detail. The influence of transparent coating thickness on the transient temperature distribution, thermoelastic force source and the laser-generated ultrasound waveforms is investigated. The numerical results indicate that the thermoelastic force source and laser-generated ultrasound waveform are strongly affected by the coating thickness due to the constraint of coating. This method can provide insight into the generation and propagation of the laser-generated stress field in coating-substrate system consisting of a transparent coating and an opaque metallic substrate. It provides theoretical basics to optimize ultrasonic signal generation in particular applications and invert the physical and geometrical parameter of the coating-substrate system more accurately in the experiment.     

Kinetic theory based lattice Boltzmann equation with viscous dissipation and pressure work for axisymmetric thermal flows

A lattice Boltzmann equation (LBE) for axisymmetric thermal flows is proposed. The model is derived from the kinetic theory which exhibits several features that distinguish it from other previous LBE models. First, the present thermal LBE model is derived from the continuous Boltzmann equation, which has a solid foundation and clear physical significance; Second, the model can recover the energy equation with the viscous dissipation term and work of pressure which are usually ignored by traditional methods and the existing thermal LBE models; Finally, unlike the existing thermal LBE models, no velocity and temperature gradients appear in the force terms which are easy to realize in the present model. The model is validated by thermal flow in a pipe, thermal buoyancy-driven flow, and swirling flow in vertical cylinder by rotating the top and bottom walls. It is found that the numerical results agreed excellently with analytical solution or other numerical results.     

具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲

从麦克斯韦方程组出发 ,推导出了具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲在非线性光纤中传输的方程和非线性光纤的折射率。给出了描述具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲在非线性光纤中传输方程的解。研究了在非线性光纤中自相位调制导致具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲频谱展宽 (脉宽压缩 )的详细物理过程。研究了非线性光纤中飞秒光孤子产生的条件