求解织物热湿耦合方程的控制体一时域递归展开算法

为求解织物热湿传递耦合方程,给出了一种基于控制体积法和时域递归展开的求解织物热湿传递耦合方 程的算法.首先,在时域对方程变量和参数进行级数展开,然后使用控制体积法对方程空间域进行离散,从而化 连续性的非线性微分方程组为一系列的递归形式的线性代数方程组.文中给出了问题的求解步骤和算例.结论 表明该方法的预测结果具有不依赖时间步长的特点.     

织物-多种相变微胶囊复合材料热特性数值模拟

为了研究添加相变微胶囊织物的热特性,基于织物热湿耦舍模型,本文发展了一个新的数学模型.模型考虑了多种相变微胶囊与织物的热传递,纤维的吸湿性/放湿性以及热湿耦合作用.模型方程采用控制体积法进行了求解.数值解与实验结果进行了对比,表明了该模型具有满意精度.模拟了相变材料总合量相同,但相变材料布置方式不同的织物在加热过程中的热特性.结果表明,相变微胶囊及其混合物在织物中的布置方式不同,对织物热特性有重要影响.     

辐射及化学非平衡流耦合场计算方法

把一种新的三维热辐射计算方法应用到高超声速非平衡流场的数值模拟过程中:在非结构网格上对高超声速化学非平衡流场的数值模拟过程中,耦合了辐射输运方程来求解辐射热流。控制方程为含有化学反应源项和辐射源项的三维N-S方程,数值离散格式采用了Jam eson有限体积法,辐射输运方程采用有限体积法求解。化学反应模型为7组元7反应模型,并采用了化学反应特征时间步长。本文分别对RAM C-Ⅱ和MU SES-C模型进行了计算,计算结果与参考文献的结果吻合。     

航天器金属热防护结构非灰体隔热层传热计算

为了计算多层隔热结构（由多个反射屏和非灰体半透明纤维隔热层构成）中瞬时耦合辐射和传导的热传递，构建了多层隔热结构的瞬时耦舍辐射和传导热传递的数值模型，并且分别采用有限体积法和有限差分法求解能量方程和辐射传递方程（Radiative transfer equation，RTE），而光谱的散射和吸收系数以及相函数则由米（Mie）理论求得，从而在更广泛的范围内为金属热防护系统的隔热纤维材料提供了广阔的选择余地。     

一种网格并行自适应处理方法

给出了一种可压流数值模拟的网格并行自适应处理方法.首先,发展了一种简单的误差估算方法.然后,以初网格上获得的当地误差估算值为权,应用递归谱对剖分方法(Recursive spectral bisection,RSB)划分初网格,以解决负载平衡问题并保证各子域上总体误差近似相等.接着,以误差值为判据对网格进行了并行的自适应处理.最后,在整合的总体网格上应用Galerkin有限体积法分区并行求解Euler方程.为验证方法的可靠性,给出了数值模拟结果.     

飞行器气动热与结构传热双向耦合研究

高超声速飞行器热防护结构的设计优化取决于对于飞行器气动热环境与结构内部温度场的准确预示,两者之间的耦合作用对此有着显著的影响。本文针对典型圆管绕流问题开展高超声速非定常流动与热防护结构传热耦合的数值计算。流场部分求解基于量热完全气体的三维粘性可压缩流动Navier-Stokes方程,固体部分求解瞬态热传导及结构响应方程获得结构温度场、热应力及应变。耦合计算采用分区迭代方法,在流-固交界面上进行壁面热流与温度的数据传递,实现了流体与结构的耦合计算。以典型圆管前缘风洞数据对上述多场耦合分析方法进行了验证,结果表明激波位置与壁面热流的计算结果与风洞试验结果一致。基于该方法对典型翼面结构在不同来流马赫数条件下的结构力热响应的模态特征。该方法能够对高超声速飞行器的气动力热载荷与结构传热的规律进行预示,从而为飞行器热防护结构的设计优化提供设计依据。     

半平面横观各向同性热弹体三维热应力分析（英文）

利用直接积分方法,求解了横观各向同性热弹材料在力-热载荷作用下的三维半平面问题。其中,材料的各向同性对称面与半无限平面平行。本文将原始热弹方程简化为仅含应力张量的控制方程,且考虑了远端应力有限性等条件已确保控制方程的正确性。计算结果显式地呈现了机械和热学载荷对热弹体的影响并满足固体连续性条件。本文给出的求解方法适用于各类半无限热弹体力-热加载问题,并可为其他求解方法提供参考。     

热化学非平衡流场辐射特性数值计算

设计了耦合辐射的三维热化学非平衡流场计算方法,以适用于任意形状的网格。采用Jameson有限体积法求解耦合辐射源项的三维N-S方程。化学模型包含11个组元,20个化学反应。辐射源项通过直接求解辐射输运方程RTE获得。在空间和方向上分别离散后,利用有限体积法求解不同方向上的辐射输运方程,精确计算了波长为100-1500nm所有主要组元的吸收系数,逐条计算了目前已观测到的空气组元的原子谱线,而对分子的带状谱采用了带模型计算,并最终得到了驻点处辐射密度随波长变化的分布情况。     

导弹发射系统建模与动力学分析

将导弹发射系统从导弹车、发射架、导弹刚柔耦合多体系统的角度,进行刚柔多体系统动力学仿真分析。应用多体系统传递矩阵法,建立了导弹发射刚柔耦合多体系统动力学模型,实现了对复杂多体系统振动特性的计算,构造了导弹发射系统增广特征矢量并给出正交性条件,实现了对该系统动力学响应的数值分析。该方法无需建立系统总体动力学方程,建模灵活、计算速度快,利于求解分析复杂多体系统结构,为导弹发射系统的改进设计提供了重要的理论依据。     

尺度效应下微结构多场耦合的热弹性耗散研究

微结构做到MEMS量级时,结构尺寸会缩小到微米量级甚至到更小量级,材料内部表现为非均匀性,从而影响结构的静动态力学特性以及热弹性耦合特性,此时,经典弹性理论对结构的热弹性耦合特性不能进行全面的解释。因此,本文基于微尺度理论,根据微器件的振动方程,并结合热传导方程,建立微尺度效应下结构的热弹性耦合控制方程,得到尺度效应下热弹性耦合对微结构的影响。     

多孔介质传热传湿过程多层不连续问题的数值分析

提出了一种基于有限体积法预测非线性边界条件下多层多孔介质内的传热传湿过程的数值分析方法。求解过程中考虑了瞬态边界条件，从而避免了通常处理中边界条件设定为常数而给计算带来的误差，对于多层多孔介质每一层物性参数的非连续性，采用了有效的有限差分逼近处理。利用该处理对典型的三层墙体层与层界面处相对湿度的瞬态值进行了预测，计算结果与Liesen R J等的传递函数求解方法符合很好。     

Numerical Analysis on Thermal Function of Clothing with PCM Microcapsules

To study the influences of phase change material(PCM) microcapsules in clothing on human thermal responses,a mathematical model is developed. The improved Stolwijk's model is used to simulate human thermo-regulatory process,and the coupled heat and moisture transfer including the moisture sorption/desorption of fibers and effects of phase transition temperature range on the phase change processes of the PCM is considered in clothing model. Meanwhile,the theoretical predictions are validated by experimental data. Then,the interactions between human body thermal responses and the heat and moisture transfer in clothing are discussed by comparing the prediction results with PCMs and without PCMs. Also the effects of fiber hygroscopicity on clothing and human thermal responses are compared. The conclusion shows that the clothing with PCMs microcapsules can delay the human temperature variations and decrease the sweat accumulation rate on the skin surface and heat loss during changing of ambient conditions,and fiber hygroscopicity reduces the effect of PCM microcapsules on delaying garment temperature variations very significantly.     

基于流-固耦合方法的涡轮叶片热应力仿真

为真实模拟超高速转子的工作性能,必须对涡轮叶片进行流体-热-结构耦合分析。将有限元软件中提供的流-固耦合仿真技术应用到涡轮叶片瞬态传热计算中,利用ANSYS CFX建立了涡轮叶片与高温燃气的流-固耦合传热模型,该模型既包括了固体与固体之间的接触传热,也包括了流体与固体之间的耦合传热。以某涡轮转子为例进行了流-固-热耦合分析仿真计算,获得叶片的瞬态温度场分布和热应力。在此基础上结合整个涡轮叶片的实际工作状况对其模拟结果进行定性分析,验证其分析方法的可行性,为实际涡轮叶片设计优化提供了理论依据,有助于叶片加工工艺方法的改进,其分析方法对类似问题的处理也很有借鉴意义。     

耦合传导/辐射情况下的传热系数和表面热流辨识

耦合传导/辐射情况下的传热参数和表面热流辨识问题是一类特殊的传热逆问题,在工程上应用较广。本文首先建立了耦合传导/辐射的传热问题的数值方法,进行了算例验证。然后分别建立了同时辨识材料热物性参数和辐射吸收系数的算法、辨识非稳态表面热流密度的算法;分析了测点位置、测量误差、辐射吸收系数对辨识结果的影响。结果表明:同时辨识材料热物性参数和辐射吸收系数时,利用右端测点的温度辨识出热传导系数值的精度较高,利用中间测点温度辨识出的辐射吸收特性系数值精度较高。对于表面热流的辨识,测点越靠近加热面,辨识结果的精度越高;吸收系数对中间测点的辨识结果影响大于其他位置测点的辨识结果。     

催化效应对气动热环境影响的流动-传热耦合数值分析

鉴于高超声速飞行中高温气体效应带来的壁面催化反应可显著增加气动热载荷，在气动热环境与结构热响应的分析与预报中需充分考虑催化反应带来的影响。将简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型嵌入超高速流动-传热耦合分析模型中，建立超高速流动/催化反应/传热多场耦合分析模型。其中，通过高频等离子风洞的催化特性测试获得ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料表面催化系数与温度的函数关系，对比分析耦合计算和非耦合计算、简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型对气动热环境的影响和适应性，结果表明材料表面催化特性对壁面总热流有重大影响。对于具有较高热导率材料的热响应，耦合传热分析能够有效避免非耦合计算带来的过度高估的结果，而有限速率催化反应模型可有效提高计算精度。在此基础之上，通过耦合传热分析，揭示了催化反应与壁面传热的内在关系，证明了在传热分析中考虑表面催化效应可提升结构热响应精度和防热系统精细化设计的能力。     

驻点壁面催化速率常数确定的研究

以平衡流动作为热环境估算的依据，提出了用数值求解非平衡Navier-Stokes方程和实验测量热流值确定模型表面材料催化速率常数的方法。用5组分17个化学反应Durm-Kang空气化学模型和轴对称热化学非平衡Navier-Stokes方程，对激波管中球头和平头圆柱模型绕流流场进行了数值模拟，给出了驻点热流随催化速率常数变化的分布，并根据激波管实验测量的热流值确定了表面材料Pt、SiO2、Ni和某种飞船材料的催化速率常数，建立了数值分析高焓流动边界层催化特性的软件。     

机载蒸发循环制冷系统板翅式蒸发器换热特性

从叉流板翅式蒸发器翅片传热和隔板热平衡方程出发建立了蒸发器的分布参数稳态数学模型,用有限差分法计算了蒸发器内的温度分布和换热特性。模型中制冷剂侧采用均相流动假设,空气侧考虑了湿工况的影响。为了求解两流程板翅式相变换热器的数学模型,本文提出了一种以第一、第二流程分界隔板上温度分布为收敛依据的计算方法,得出了蒸发器中空气温度场及制冷剂两相流干度和温度场的分布规律。计算结果表明,蒸发器中温度场和干度的分布规律是由叉流式换热器的结构特点及制冷剂和空气的相对流动方向决定的,制冷剂在一个流动通道中沿垂直流动方向干度分布很不均匀,即一边是过热蒸气,而另一边则含有未蒸发的制冷剂液体。由于过热蒸气与空气的换热系数较低,蒸发器中存在大面积过热区势必影响其换热效率,同时,蒸发器出口含有制冷剂液滴不仅减少了系统制冷量,降低了系统的性能系数,严重时可能对压缩机的工作造成不良影响。因此在设计蒸发器时必须充分考虑干度不均匀性的影响,采取必要措施尽量使出口干度均匀。计算结果与相关文献中实验结果比较证明了本文所建立的模型是合理的。     

高温燃气加热器热特性研究

介绍了高温燃气加热器的工作原理,推导了结构在高温燃气作用下的二维共轭传热方程,应用Fluent软件对头锥结构在高温燃气作用下的流动传热特性进行了数值模拟,得到了不同来流温度和速度条件下结构温度分布情况以及外流场流动及传热特性,为高温燃气对流加热试验技术提供依据。