激光脉冲法在低温导热系数测试中的应用

本文阐述了用激光脉冲瞬态法测量材料低温导热系数的方法原理、测试装置和标定结果:并对激光脉冲法在低温下的局限性及测试误差进行了系统分析。     

用灵敏度法辨识热传导系数及热流参数

利用灵敏度法对一维热传导问题中的热传导系数和热流参数进行了辨识。其中,对热传导方程和灵敏度方程的求解采用具有较高精度的有限控制体积法（ＦＣＶ）;对目标函数的优化采用牛顿－拉夫逊（Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ）算法。仿真计算的结果表明：用灵敏度法处理热传导参数和热流参数的辨识问题是可行的、有效的。     

基于细观颗粒夹杂模型的固体推进剂导热系数预测

为准确预测固体推进剂的导热系数,采用了分子动力学方法对高填充比固体推进剂细观模型进行建模.利用有限元理论对固体推进剂细观模型稳态热传导进行计算,结合计算细观力学均匀化方法,计算了固体推进剂细观模型的均匀温度和热流密度.根据计算所得的平均温度和平均热流密度值求解稳态热传导方程,得到了两相和三相固体推进剂的宏观等效导热系数.其中,两相固体推进剂的仿真结果与试验结果的误差只有3.63%.结果表明:在预测固体推进剂导热系数时,采用固体推进剂的颗粒夹杂模型可以充分考虑粒径大小、颗粒随机分布的影响,更真实地反映固体推进剂的微结构特征,计算结果准确可靠.      

ZrO2陶瓷热障涂层显微结构及隔热性能研究

用电子束物理气相沉积法(EB-PVD)在DZ125高温合金上制备Y2O3部分稳定化的ZrO2(YSZ)陶瓷热障涂层,并用扫描电镜(SEM)观察涂层显微结构.采用激光脉冲法对EB-PVD热障涂层的热扩散系数进行测试.为防止热扩散系数测试时激光穿透ZrO2陶瓷层,在试样表面制备不同材料的遮挡层.结果表明,EB-PVD热障涂层呈明显的柱状晶结构,柱状晶垂直于涂层/基体界面.基体的热扩散系数随温度的升高而急剧增加,陶瓷热障涂层的热扩散系数随温度的升高呈下降趋势,但变化幅度不大.室温下陶瓷层的热扩散系数小于基体的1/3,1200℃时约为基体的1/67.试样的激光遮挡层很好解决了激光脉冲法测试涂层热扩散系数时的不稳定性和激光穿透问题.在满足遮挡要求的条件下,遮挡层材料种类对热扩散系数测试无明显影响.     

多层隔热结构传热模型分析与试验研究

分析了多层纤维隔热材料内导热与辐射换热的复合传热问题,采用能量方程和两热流密度法建立了多层隔热材料传热问题的数学模型,对五种规格隔热元件分别采用三种不同的建模规则进行热分析,计算了三种模型的等效热传导系数。采用稳态法测试试验,测量了五种规格隔热元件的等效导热系数,根据试验结果对三种模型的计算精度进行误差分析,从而确定了接触热阻模型的正确性。     

长时间隔热材料环境的稳态热流测量方法

介绍并研究了一种基于一维稳态热传导原理的三段稳态塞式量热计.该量热计通过测量探芯中间康铜段前、后表面上的温差来得到壁面热流密度.适合稳态、低热流状态下,驻点及大面积区长时间隔热材料上的多点测量.首先从理论上分析了三段稳态塞式量热计的稳态热流测量原理;然后采用超声速矩形湍流导管试验技术,利用等离子电弧加热器进行了表面热流测量试验.结果表明:在包含来流参数约±4%的系统误差情况下,三段稳态塞式量热计的测量重复性偏差为±7.6%,经误差分析得到该量热计的热流测量精度在5%以内.     

脉冲激光热传导焊接技术在石英挠性加速度计 组件装配连接上的应用研究

在不改变激光重复频率、焊接速率、脉冲宽度、离焦量等参数的情况下,只改变峰值功率,采用Nd:YAG脉冲激光对石英加速度计表芯装配组件进行热传导焊接,通过X射线显微镜和超声波无损检测系统对焊接样件的焊缝形态与焊接质量进行检测分析,并对样件拉伸强度进行测试.结果表明:脉冲激光热传导焊接中的热输入量对焊缝形态和焊接质量有直接的影响,较低的热输入量可以实现边界轮廓整齐、表面光亮、热影响区较小、残余应力较低的焊缝形态,并且没有裂纹缺陷,同时焊接样件的拉伸强度是环氧胶粘接样件的3倍以上.因此,脉冲激光热传导焊接技术在组件装配连接上的应用具有潜在的优势.     

基于应变片的双脉冲推力测量初步实现

为了获得激光推力器在多脉冲激光作用下产生推力的变化情况,建立了一套基于半导体应变片技术的双脉冲推力测试系统,介绍了系统标定及测试原理。在单脉冲能量80 J,重复频率10 Hz的条件下进行了实验,实验结果表明:该测试系统响应速度快、精度高,实验结果可信;同时发现,在双脉冲激光作用下,推力器产生的脉冲推力大小和推力的持续时间均会减小,冲量耦合系数也有所降低,与文献报道实验测量结果基本一致,对激光发动机的理论和数值研究具有一定的参考价值。     

704石墨的高温热物理性能测量

本文讨论了用激光脉冲法测量石墨材料的高温热扩散系数和用激光扫描法测量石墨的线性热膨胀,最高测试温度可达2500℃以上,测试误差在5%以内。     

2．5DC／SiC复合材料的热物理性能

分别采用热膨胀仪和激光脉冲导热仪测试2.5D C/SiC复合材料从室温到1400℃纵向、横向的热膨胀系数和厚度方向的热扩散系数.结果表明,2.5D C/SiC复合材料的热膨胀系数随温度的升高而缓慢升高,在350℃和700℃附近出现波动,且横向的热膨胀系数略高于纵向.热扩散系数随温度的升高逐渐降低,且下降速率随温度的升高而变缓.CVD SiC涂层后,材料热扩散系数提高1～2倍.     

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。     

火箭发动机推力室附面层的研究

文本采用由壁面的切线和法线构成的正交曲线坐标推导出了纵向大曲率壁面的附面层方程.它适于轴对称和平面的,内和外流的可压缩湍流和层流附面层.作者从附面层方程出发,发展了内区涡动粘性系数和内区涡动热传导系数的表达式.此表达式本身已考虑了曲率的影响,不需要对它另作曲率修正.本方法针对火箭发动机模型,取不同的喷管收敛段曲率半径进行计算.此无因次曲率半径等于1.7时的喉部区峰值热流要比无因次曲率半径等于10时峰值热流高13%.此外在同样的壁型面和同样的压力分布下,考虑曲率和不考虑曲率的计算结果差别明显,喉部热流差别达9.8%.     

求半透明材料导热系数的复合换热反问题

在激光脉冲法测不透明材料导热系数的基础上,本文提出了一种已知半透明材料辐射特性,求其导热系数的复合换热反问题方法。      

基于复摆模型的多脉冲冲量耦合系数测量方法

在单脉冲冲量测量方法的基础上,增加激光脉冲提取和摆杆控制单元,提出了一种基于复摆模型的多脉冲冲量耦合系数测量方法。分析了多脉冲的两种测量模式及实现流程,解决了数据处理面临的新问题,并对该方法进行了检验,结果表明:所设计的激光脉冲提取和摆杆控制单元满足25Hz频率要求,可实现在40ms内提取多脉冲序列的任意一个脉冲;模拟多脉冲序列下测得两种模式15°锥形喷管的冲量耦合系数为371.0～375.3N/MW,具有很好的一致性。该方法可用于吸气式激光推进的多脉冲性能研究,并作为其他多脉冲研究方法的有效补充。     

激光参数对光船性能影响分析

采用三温度11组元热化学非平衡空气模型计算了激光能量在等离子体中的沉积过程,并在激光脉冲作用结束8 μs后采用平衡空气模型,完成激光推进光船工作过程的数值模拟,研究了不同入射激光能量和脉冲宽度对光船推进性能的影响。结果表明:当脉冲宽度相同时,入射激光能量越大,所得冲量耦合系数越大;当入射激光脉冲能量相同时,脉冲宽度越小,所得冲量耦合系数越大。将计算所得冲量耦合系数与Schall实验所得结果进行比较,结果非常吻合。     

非稳态法与准稳态法测量热系数

从理论和实验分析了平面热源非稳态法和准稳态法测量热导率及比热容等热系数的问题。并从主测量设备到测试，计算方法提出改进，以简化测试计算，提高测试精度。此外，还比较了两种方法的优特点，明确了各自应用的条件和范围。     

格林函数法求解含移动介质轴向导热的稳态温度场

用格林函数法求解了考虑移动介质轴向导热影响的稳态温度场,推导了第1类和第2类非齐次边界条件下求解稳态温度场的数学表达式,利用特征值和特征函数获得了格林函数解,证实格林函数法可以解决非齐次边界条件下的稳态传热问题.以平行板间和圆管内均匀速度移动介质的稳态传热为例,获得了在半无限长壁面和在有限长壁面有均匀热流密度两种情况下所对应的温度场的无量纲解析解,分析了移动介质轴向导热与Pe和x/H之间的关系.结果表明:在所分析的两种热流密度边界条件下,Pe越大无量纲温度越小;在半无限大区域有均匀热流密度条件下,无壁面热流密度区域温度变化越剧烈,有均匀壁面热流密度的区域无量纲温度随x/H的变化几乎不受Pe大小的影响;在有限区域有均匀热流密度条件下,与半无限大区域均匀加热的情况有显著差异,在全计算域内温度变化越剧烈.     

三维五向编织复合材料导热性能的有限元分析

根据三维五向编织复合材料的细观结构模型,分别假设编织纱线和轴纱具有六边形和正方形横截面,建立了计算三维五向编织复合材料导热性能的有限元模型.采用有限元方法,设定合理的边界条件,计算了三维五向编织复合材料的横向和纵向热传导系数,并与三维四向编织复合材料的热传导系数进行了比较,分析了编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律.此外,还确定了材料内部的温度、热梯度及热流量的分布,为材料热力耦合问题的分析奠定了基础.      

基于神经网络的表面热流辨识三维效应修正

在已有顺序函数法对一维、二维表面热流辨识的研究基础上,考虑到三维辨识实时性的困难,提出神经网络和顺序函数法结合的方法。在顺序函数法一维辨识结果的基础上,利用人工神经网络对热传导三维效应进行修正,从而获得峰值热流实时准确的辨识结果。为了获得更优的神经网络模型,引入粒子群算法优化神经网络的初始权值和阈值。通过数值仿真的算例测试结果可以看出,本文提出的方法对于峰值热流的辨识结果准确度在4%以内,避免了三维辨识的时间复杂性,同时具有良好的抗噪性和稳定性。     

金属蜂窝夹芯面板有效导热系数的数值计算

对具有漫灰体内壁的金属蜂窝夹芯面板,忽略蜂窝内腔的空气导热,综合考虑蜂窝结构的热传导和热辐射等热传递过程,利用有限元方法求解了周期性分布的蜂窝单胞稳态热传导控制方程,蜂窝内壁的边界条件是由净热量法得到的热辐射换热积分方程,由胞元的温度场分布数据及Fourier定律得到了蜂窝结构的有效导热系数。与现有文献相比,采用了较少近似的模型及较高精度的离散方法,计算结果表明计算模型及方法是可靠有效的。