非线性热传导逆问题的表面热流辨识方法

当材料的热物性参数随温度变化时,其内部的热传导方程是一非线性偏微分方程,对应的热传导逆问题称为非线性热传导逆问题。本文建立了非线性热传导逆问题的两种表面热流辨识方法:顺序函数法和共轭梯度法,介绍了这两种辨识方法的基本思想和具体算法推导,并针对典型算例进行了仿真辨识,结果表明:两种辨识方法虽然在算法构造、计算效率方面存在一定的差异,但都能给出较好的辨识结果,并且算法受测量噪声的影响较小,具有较好的鲁棒性。     

非稳态表面热流反演算法研究

表面热流的反演是一类典型的热传导逆问题。在采用有限体积法数值求解三维非稳态热传导问题的基础上,将该热传导逆问题转化为优化问题,建立了顺序函数法和共轭梯度法这两类反演算法。采用这两类算法对一个典型算例的计算结果表明:建立的两类反演算法都是有效的,具有较好的抗噪性能。顺序函数法的优势在于算法的推导和实现较为简便,但算法中存在人为确定的参数r,该参数的选取对反演结果有较大影响。共轭梯度法的算法中没有自由参数,但算法的推导和实现都较为复杂,其反演结果的精度和顺序函数法的反演结果精度基本相当。     

Calculation of heat conduction in aerospace plane thermal protection system

In this paper, a technique is proposed for calculating the heat conduction of heatprotection tiles in aerospace planes by using as a base the now-existing algorithms to analyze the composite material characteristics as well as thermoforce analogy. The efficiency of this technique is confirmed by the numerical calculation.     

用PTI分析功能梯度材料的热传导灵敏度

较详尽的介绍了精细时程积分方法(Precise Time Integration,以下简称PTI)的运算过程,并针对功能梯度材料这种新型材料的灵敏度分析问题,以热传导问题为例,建立了PTI方法的灵敏度计算公式,结果表明方法的精确度与有效性。     

Model of effective heat conduction in polymer composite porous materials

A model and a technique for calculating polymer composite materials with an ellipsoid-shaped filler that take into account the influence of system porosity, particle anisodiametry and a boundary layer on the effective heat conduction are proposed. The results of calculations made by numerical methods are in a good agreement with the well-known statistic and Odolevskii, Maxwell, and Dul’nev matrix models.     

Non-Fourier heat conduction analysis of a 2-D plate with inner cracks at arbitrary direction angles

This paper investigates the problem of a 2-D plate containing internal cracks at arbitrary angles to the heating surface under thermal shock. The finite difference method is applied to solve the temperature distribution and a difference scheme of the oblique crack is developed. For the first time, a non-Fourier heat transfer analysis method of a 2-D plate with inner cracks at arbitrary direction angles is established. Specifically, for a strip with an inner crack paralleling to the surface,numer...     

利用边界测点求解二维稳态导热逆问题

针对导热逆问题求解中的测点的选择提出了不同的方式,即采用边界测点取代内部测点进行导热逆问题的求解.通过数值计算揭示了测点选择不当将导致逆问题计算的失败及原因,验证了采用边界测点求解二维稳态导热逆问题的可行性.采用本文提出的方式将使逆问题的应用更为实际、合理.     

顺序函数法求解二维非稳态热传导逆问题

基于有限控制体积法对二维非稳态热传导问题的数值模拟，导出了处理二维非稳态热传导逆问题的顺序函数法，并用该方法来对一典型的圆环域边界条件反演问题进行了反演计算，结果表明，顺序函数法是求解二维非稳态热传导逆问题的有效方法，当测量噪声比较小时，顺序函数法能得出较高精度的反演结果；当测量噪声增大时，反演结果仍能较好地再现出精确解在空间和时间方向上的变化趋势，具有一定精度。     

考虑导热对流和辐射作用的轴对称收扩喷管壁温计算

基于N-S方程求解了包括引射流、加力燃烧室在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的流场,建立了考虑导热、对流换热和辐射换热作用的轴对称收扩喷管各层壁温分布的计算模型,包括隔热屏、喷管简体、外调节片三层结构.对某航空发动机进行了多工况计算,燃气的物性随压力、温度和油气比的变化采用了一系列精度较高的计算公式和计算方法.计算结果表明:基于密度求解器求解包含引射流在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的跨声速流场是成功的.隔热屏和收扩喷管筒体沿流向温度逐渐升高,喷管筒体壁温在喉部达到最大,在扩张段逐渐降低;收扩喷管外调节片壁温与收扩喷管简体的壁温变化规律相同,但是壁温最大值则位于喉部前某一位置.计算结果与经过试验验证程序的结果符合良好.      

Mathematical modeling of heat transfer process in a variable domain

In this paper, a brief review and generalization of studies on the heat transfer and heat conduction problem in a variable domain are presented. The equations of the process, where the boundary displacement velocity is the control, are obtained taking into account heat inflow. This article was submitted by the authors in English.     

小型航空二冲程风冷发动机缸体流固耦合传热的仿真

以某小型航空二冲程风冷发动机为研究对象,结合风冷发动机缸体的传热特点和汽油机的燃烧规律并基于流固耦合理论,对风冷发动机缸体传热进行了模拟计算.根据耦合传热理论,将缸体与缸套的导热转化为系统内部边界条件进行简化处理,并将模拟计算的结果与地面试验结果相比较,证明了耦合传热方法在研究缸体热负荷方面的可靠性.在考虑飞行器整个飞...     

小型平板回路热管蒸发器内传热与流动的三维数值模拟

针对小型平板回路热管蒸发器内的流动与传热,建立了多区域耦合的数学物理模型,并应用FLUENT软件进行了三维数值模拟。结果表明:蒸发器传热特性在不同热负荷下呈现出较大的差异,其温度分布不仅取决于热负荷,更依赖于毛细芯表面发生的两种传热机制,即毛细蒸发和热传导。相比高热负荷(Q=120W)和低热负荷(Q=40W),中等热负荷(Q=80W)下蒸发器各个部位的温度均较低。三种不同热负荷下,毛细芯反向导热均大于侧壁漏热,补偿腔内与毛细芯相邻处易出现高温区。冷凝回流液在补偿腔内的流动形成两个涡,这种流动特点有利于降低毛细芯的温度。当热负荷与系统冷凝能力匹配时,整个系统流动与传热特性最优。      

变状态测量中薄壁量热计后壁导热损失修正

针对超燃冲压发动机脉冲燃烧试验需求,基于能量平衡原理给出了对变状态条件下修正薄壁量热计导热损失的一种方法.对薄壁量热计进行了数值分析和试验验证,对比分析了修正前后的薄壁量热计测量结果.有限元分析结果表明,该方法可以有效补偿后壁导热损失,算例中修正前的热流测量误差不小于20%,修正后不大于4%.在超燃冲压发动机脉冲燃烧试验中,利用薄壁量热计与同轴热电偶热流测量了轴对称模型壁面上相同轴向位置的热流,冷态试验中修正前后的薄壁热流与同轴热电偶热流测量结果的相对偏差分别为-11.2%和3.3%.热态试验结果表明,试验中存在振荡燃烧现象,薄壁量热计的响应时间约为0.02s,与振荡周期(约为0.03s)接近,不能正确反映燃烧状态的变化.      

容器热物性参数对蓄热系统性能影响的数值研究

建立了分析潜热蓄热系统蓄热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.其中考虑了容器壁面的导热,且相变传热只考虑导热模型,对相变材料(PCM)相变过程的求解采用解耦法计算模型.对几种不同材料容器内PCM熔化过程进行了数值计算比较,结果表明,容器材料的导热系数、比热容和密度等热物性参数对PCM的熔化有很大的影响.此外还对不同初始温度和边界壁温对PCM熔化的影响进行了数值计算.所得结论对潜热蓄热系统的热性能及其优化设计有一定的指导作用.      

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义,相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题,利用多尺度渐进分析方法,对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型,获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系,发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法,建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性,结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

单凹坑壁面的瞬态红外传热测量与流场显示

为了揭示凹坑冷却结构的强化传热机理,基于第三类边界条件下的一维半无限大瞬态导热模型,用红外热成像仪的瞬态测温技术和金属网快速加热技术,对矩形通道内壁面进行了瞬态传热测量,获得了光滑壁面和带有单个球面凹坑壁面的局部对流换热系数分布,并用油-粉末法对凹坑壁面进行了壁面流场显示,实验雷诺数范围1.58×104~6.36×104。实验发现凹坑强化换热与其诱导形成的涡流结构密切相关,单个球面凹坑引起的涡流可以使凹坑下游边缘附近的局部换热最大增强80%左右,凹坑下游尾迹区域的平均换热增强20%~30%。     

基于三维实体建模的刷式密封传热机理数值研究

建立了基于三维实体建模的刷式密封传热特性求解模型,在验证数值模型准确性的基础上,分析了刷式密封流场与温度场分布特性,研究了压比、转速、干涉量和热流密度对刷丝最高温度的影响,揭示了刷式密封的传热机理。结果表明:高温区主要集中在末排刷丝与转子面接触位置,刷丝的最高温度随着压比、转速、干涉量和热流密度增加而增大,其中干涉量对刷丝最高温度的影响最为明显。当干涉量从0.1 mm增至0.7 mm时,刷丝的最高温度上升1.61倍;刷式密封热量的主要来源为刷丝与转子表面摩擦产生的热量,其传热形式包括导热和对流换热,摩擦热量通过导热形式进入刷丝和转子,当刷丝与转子之间的接触力增加时,摩擦热量增大,刷丝的最高温度升高,摩擦热量通过对流换热形式在流体和固体之间进行传递,热量散失主要形式为泄漏气流带走部分热量。      

Calculation of high-temperature insulation parameters and heat transfer behaviors of multilayer insulation by inverse problems method

In the present paper, a numerical model combining radiation and conduction for porous materials is developed based on the finite volume method. The model can be used to investigate high-temperature thermal insulations which are widely used in metallic thermal protection systems on reusable launch vehicles and high-temperature fuel cells. The effective thermal conductivities（ECTs） which are measured experimentally can hardly be used separately to analyze the heat transfer behaviors of conduction and radiation for high-temperature insulation. By fitting the effective thermal conductivities with experimental data, the equivalent radiation transmittance, absorptivity and reflectivity, as well as a linear function to describe the relationship between temperature and conductivity can be estimated by an inverse problems method. The deviation between the calculated and measured effective thermal conductivities is less than 4%. Using the material parameters so obtained for conduction and radiation, the heat transfer process in multilayer thermal insulation（MTI） is calculated and the deviation between the calculated and the measured transient temperatures at a certain depth in the multilayer thermal insulation is less than 6.5%.     

三维内外热耦合计算热气防冰系统表面温度

提出了一种三维内外强固传热耦合计算热气防冰系统表面温度的方法并进行算例计算.外部表面传热系数计算采用附面层积分方法,内部热气流动与换热采用CFD(计算流体动力学)方法,利用FLU-ENT的用户自定义函数UDFs(user-defined functions)实现蒙皮外表面热载荷计算及热流边界条件的自动加载,使迭代自动推进.对表面温度及外部热载荷进行亚松弛来稳定迭代计算,用强固传热耦合迭代来加快计算速度.所研究的三维热气防冰系统表面温度计算新方法可应用于防冰系统的热性能验证及系统优化.      

高压燃气涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析

采用气热耦合方法对采用径向内冷方式的MarkⅡ型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟,通过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂,包含层流流动、转捩和湍流流动状态,所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层内流动与实际情况相符,叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合的较好,使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层内流动而使得计算结果误差相对较大,但是所有的湍流模型都能很好的模拟附面层以外流动.