等离子弧焊接熔池演变过程的格子Boltzmann模拟与验证

本文应用基于分子动理论的格子Boltzmann方法,建立了描述定点等离子弧焊接熔池动态演变过程的二维数理模型,对相变过程的传热与流动现象开展模拟;根据焊接过程能量分布特点改进等离子弧的组合式热源模型,采用total-enthalpy模型求解温度、速度分布及追踪相界面。研究结果表明,模拟的熔合线形状与实验焊缝吻合,格子Boltzmann模拟得到的计算精度及计算效率均优于基于连续流体假设的有限容积法,验证了格子Boltzmann方法用于等离子弧焊接模拟的可行性和优越性;熔池中出现两个方向相反的环流,流动对焊缝形状的作用不容忽略;熔池的流动方式影响了温度场、速度场及二者协同度,直接影响固相线上的热量传递,促进了焊缝中部凸起的形成。     

等离子弧焊接熔池演变过程的模拟和验证

本文建立了描述等离子弧焊接熔池相变传热与流动的三维数理模型,考虑表面张力、电磁力和浮升力的作用,并针对等离子弧焊接特点,改进组合式体积热源模型,上部采用双椭球热源,下部采用圆锥体热源。重点分析了焊接熔池形状和温度场的演变过程,熔合线的模拟形状与实验焊缝吻合,较好地呈现了焊缝的凸起和熔池宽度,验证了数学模型和热源模型的正确性。本文还进一步开展了焊接功率和焊接速度的影响分析。研究结果表明,流动对焊缝形状的影响不容忽略,而表面张力在三个流动驱动力中占主导地位;焊接功率越大,焊接速度越小,越有利于焊件焊透,数值模拟得到优化的焊接功率和速度有益于实际焊接生产质量及效率。     

不同焊接位置对5A90铝锂合金激光焊接质量的影响(英)

针对铝锂合金激光焊接产生的成形不良和气孔缺陷,探究不同焊接位置对焊缝成形及气孔的影响,并对比分析不同焊接位置熔池受力状态、熔融金属流动和小孔动态行为,解释缺陷形成及其抑制机理。研究发现:不同焊接位置熔池受力状态和熔融金属流动决定焊缝成形。平焊时焊缝成形差、下榻严重;横焊时背面焊缝不连续,有飞溅;立向上焊时背面焊缝内凹严重;立向下焊可得到最优焊缝成形和最优的气孔缺陷。焊缝气孔受小孔动态行为影响,不同焊接位置气孔随热输入的变化规律一致,气孔先增后减,在仅熔池透状态下有气孔最大值。立上焊时小孔不稳定,焊缝气孔多且分布杂乱;立向下焊时小孔稳定性高,气孔最少,主要分布在焊缝中心线上。     

不同焊接位置对5A90铝锂合金激光焊接质量的影响（英文）

针对铝锂合金激光焊接产生的成形不良和气孔缺陷,探究不同焊接位置对焊缝成形及气孔的影响,并对比分析不同焊接位置熔池受力状态、熔融金属流动和小孔动态行为,解释缺陷形成及其抑制机理。研究发现:不同焊接位置熔池受力状态和熔融金属流动决定焊缝成形。平焊时焊缝成形差、下榻严重;横焊时背面焊缝不连续,有飞溅;立向上焊时背面焊缝内凹严重;立向下焊可得到最优焊缝成形和最优的气孔缺陷。焊缝气孔受小孔动态行为影响,不同焊接位置气孔随热输入的变化规律一致,气孔先增后减,在仅熔池透状态下有气孔最大值。立上焊时小孔不稳定,焊缝气孔多且分布杂乱;立向下焊时小孔稳定性高,气孔最少,主要分布在焊缝中心线上。     

双面电弧焊接的传热模型

将等离子焊接(PAW)电弧和钨极氩弧焊(TIG)电弧串接,相对作用于工件的正反面形成双面电弧焊接(DSAW)系统,可以引导焊接电流沿工件厚度方向流过小孔,补偿等离子电弧穿透工件时消耗的能量,以有效地提高等离子弧的穿透能力.综合考虑影响双面电弧焊接正反面熔池几何形状的力学因素,建立了熔池表面变形的控制方程,以此为基础并采用帖体曲线坐标系建立了DSAW焊接传热的数学模型,分析了DSAW,PAW焊接传热的差异,从传热的角度解释了DSAW焊接熔深增加的原因.焊接工艺实验表明,计算结果与实测结果吻合良好. 关键词： 双面电弧焊接(DSAW) 传热模型 熔池表面变形模型     

等离子弧焊接多物理场耦合输运模型

本文基于电场、磁场、温度场和流场的多物理场耦合,建立了简单实用的电弧与工件一体化模型,既准确表征等离子弧焊接过程中的多物理场输运作用,又无需使用流体体积函数(VOF)计算气液两相界面,大大减少计算时间和成本。模型计算出电弧压力分布,将其简化为压力源项作用于工件表面,同时该界面上电弧与工件耦合传热,实现了电弧与工件的热-力传递。获得了焊接过程电弧和工件的温度、速度、电流密度和电磁力的分布规律,揭示了焊接熔池的形成和演变机制,并开展实验验证了模型的准确性。最后分析了不同工艺参数对电弧热流密度和压力的影响规律,为焊接质量优化提供理论指导。     

通过流作用下穿孔板的声阻抗

穿孔元件在进排气消声器中广泛使用,气体流动对穿孔元件声阻抗具有较大的影响。为了获得更加精确的穿孔声阻抗模型,使用三维时域CFD方法计算通过流作用下穿孔的声阻抗。探究了通过流作用下穿孔声阻抗的获取方法,并且将无量纲小孔声阻抗的预测值与已发表的实验测量值进行了对比,两者吻合较好。分析了小孔中的通过流马赫数M_o (0.05~0.20)、穿孔的分布形式、小孔的直径d_h (2~5 mm),穿孔板的厚度t (0.8~2 mm)和穿孔率φ(4.51%~24.93%)对无量纲声阻抗的影响规律,并且通过不同参数的非线性回归分析得到了通过流作用下声阻抗的模型。作为工程计算的应用,利用Jing&Sun的声阻抗模型和本文声阻抗模型计算了横流式穿孔管消声器的传递损失,与实验测量结果比较表明,本文模型具有较高的准确性。      

激光穿透焊的三维数值模拟

本文对激光穿透焊进行了三维数值模拟，除考虑焊接速度影响外，还研究了Ｍａｒａｎｇｏｎｉ对流对熔池流动与传热的影响。将三维数值模拟结果与相应的二维模拟结果进行了比较，结果表明，Ｍａｒａｎｇｏｎｉ对流对熔池的形成有很大的影响，因此不可忽略。本文还给出了估计激光穿透焊中蒸气孔尺寸与焊接热效率的方法。     

燃料电池中质子交换膜干涸的热物理机制

本文首次应用有内热源的多孔介质中流体流动与换热理论,对直接甲醇燃料电池中PEM中的传热过程和干涸 现象进行定量研究。建立了相应的数学物理模型并进行了数值求解。计算结果表明:反映水的热容量和膜的内部产热量的 两个无因次参数D和N是影响PEM中传热的主要因素;水的质量流率小和电流密度过高是造成膜干涸的主要原因。     

镍基合金激光熔覆数值模拟及凝固参数预测

本文采用有限体积法对激光熔覆过程的温度场分布和熔体流动进行了数值模拟.基于CALPHAD相图法计算了基体和粉末的热物理性质,采用三维热源精确预测了凝固过程和温度分布,研究了Marangoni对流对熔池尺寸的影响.在熔池凝固过程中模拟所得出的温度梯度和凝固速度,预测了熔覆层凝固组织的演变趋势,相应的显微组织与实验结果吻合...     

广义流体的概念在金属流动凝固传热分析模型中的应用

应用广义流体的概念,以双辊连续铸轧工艺中金属流动凝固传热现象为例,将熔池内三种状态（液相,固相和固液两相）金属流动传热过程用统一的控制方程描述。典型算例表明：熔池内存在大面积的环形流动区域,环形流动产生的搅拌效应,可以促进熔池内钢水温度与化学成分的均化,提高薄带的质量。最后,计算结果与理论分析进行了比较。该计算思想还可应用于冶金、石油工程等涉及流动凝固传热耦合问题的数值模拟研究中。     

考虑循环水–能源桩换热的单U型埋管能源桩变热流传热模型

基于有限长度线热源模型和叠加原理,提出了一种变热流条件下有限长度线热源模型的近似解答;在此基础上,将单U型换热器划分为多个节段,采用热响应的分段叠加思路,最终建立了考虑循环水与能源桩换热的单桩变热源传热模型。通过与Comsol三维数值模型和无限长线热源模型出水口温度的比较以及与试验中出水口温度和土体温度的比较,验证了该模型的准确性。同时通过该传热模型进行了U形管能源桩不同桩长、不同质量流率、不同桩土导热系数的换热分析。此模型可以帮助我们获得随时间变化的热流密度和更为精确的出水口温度,便于能源桩换热量的快速评估。     

用能量平衡法确定激光焊接熔池尺寸

本文对前人提出的计算激光焊接深熔焊过程中熔池尺寸的方法进行了检验、改进与推广。从激光焊接过程中的能量平衡出发,预报了不同焊接工况下熔池的尺寸,并与实验数据进行了比较,得到了符合得比较好的结果。     

数据中心动态温度估计模型

在数据中心热管理与节能的研究当中,如何降低数据中心制冷能耗是目前研究的热点问题之一,对数据中心热量传递的建模和温度分布的求解是解决此问题的前提和关键点。采用计算流体力学模拟数据中心内的流动与传热过程耗时较长,不适合用于数据中心热管理的实时自动控制系统。本文通过研究各机柜负载和空调出风温度变化对数据中心温度场的影响,将数据中心中热量传递的动态过程以传递函数矩阵表示,建立了数据中心热环境的动态模型。算例的计算与比较证明,本模型能够准确地估计数据中心内温度变化情况。与直接采用计算流体力学方法相比,本文模型大大节省了计算时间。     

驱动脉管用热压缩机性能数值模拟及实验研究

对热压缩机中关键的换热过程建立了简化模型并进行了数值计算,计算得出声功及热效率随着小孔系数的变化存在最佳值,增大平衡压力和加热温度可以增大系统声功。建立了可测量声功的热压缩机实验系统,在不同的小孔系数下测量了声功,并对比分析了实验与数值结果,二者随小孔系数变化的趋势相同,但值相差较大。通过进一步的对比分析发现,这主要是实验中余隙容积过大和回热器换热不充分造成的,余隙容积和回热器传热效果对热压缩机性能的影响很大。     

焊接电弧中电磁力的分析

在电焊过程中,焊接电弧不仅是一个热源,而且也是一个力源.焊接电弧产生的电磁力,与焊缝的熔深、熔池的搅拌、熔滴过渡以及焊缝成形等都有直接关系.     

液滴撞击液膜的流热耦合界面追踪方法数值模拟

采用界面追踪方法研究蒸馏过程中液滴撞击高温薄液膜的流动和传热特性,将数值结果与解析解和实验进行比较验证模型的正确性,研究气液界面和热流分布的演变过程.同时,分析液滴We数和无量纲液膜厚度对传热的影响.液滴撞击后的热流密度分布显示：液膜可分为撞击区、过渡区和静态区.由于液滴的撞击作用,强制对流是撞击区内主要的传热机制.增大液滴的韦伯数或减小无量纲液膜厚度会加强热量传递.随着液滴韦伯数的增加,冲击引起的扰动增强,在动量和能量共同作用下,平均热流密度明显增大,撞击区冠状水花越明显.无量纲液膜厚度越小,平均热流密度越大,且有更长的时间保持高热流密度换热.     

商用空调用多元平行流冷凝器的实验研究

针对商用空调应用环境,在换热器实验台进行多组平行流冷凝器性能实验,重点研究环境温度和流程分配对平行流冷凝器的流动和传热性能的影响,并与翅片管式换热器进行对比。实验结果表明:平行流冷凝器的换热量及制冷剂流动阻力均随蒸发温度上升而增大;平行流冷凝器的流程分配对制冷剂流动阻力影响显著;同等条件下平行流换热器的传热性能是翅片管式换热器的3~4倍。合理的流程分配可以提高平行流冷凝器的流动和传热性能,拓展其应用范围。     

具有径向进出流的转—静盘腔流动与换热的数值研究

本文对具有径向进出流的转－静盘腔结构的流动和传热过程进行了数值计算研究,文中研究了旋转雷诺数和无量纲流动速率对盘腔内流动换热过程的影响。在盘腔的核心区采用标准的κ－ε模型,近壁区采用Ｌａｕｎｄｅｒ－Ｓｈａｒｍａ低雷诺数ｋ－ε模型。与实验结果的对比表明本文的计算方法是合理的,计算结果揭示了该型盘腔结构的流动传热基本特征和规律。     

固体表面不同微观形貌对冷凝过程的影响

固壁表面发生的冷凝过程广泛存在于工程领域中,具有重要的研究意义.本文采用分子动力学模拟方法,对氩气在光滑/粗糙铂金属壁面的冷凝过程进行了研究,观察了近壁面区内液体的层状和网状密度分布特征及固液界面处的温度跳跃现象,前者是由固体表面作用势所致,后者则是分子热运动在微尺度固液界面区域所呈现的特殊现象.通过对不同工况模拟结果及系统内传热传质特性的分析发现,随着壁面凸起高度的增加,流固接触面积增大,接触热阻减小,换热效果得到了强化;凝结过程换热量随凸起高度的增加呈增长趋势;热量传递过程中,相变潜热量始终占总传热量的60%左右.