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超急速传热过程中热惯性效应的解析分析
基于热质的概念,根据牛顿力学分析方法建立了温度突变加热条件下热质运动的波动方程。借助Laplace正逆变换,推导了半无限大薄板外表面受热冲击作用下热惯性效应的解析表达式,给出了超急速传热过程中热波的传递规律,揭示了热质惯性对传热行为的影响:
(1)受到热质惯性的影响,热量以有限速度传播,呈阶跃性分布,在波前尚未到达的区域内,温度保持初始值不变。
(2)当热作用时间与弛豫时间和特征长度相当时,非傅里叶现象很明显,且当τ0→0,l→0时,热惯性效应消失,此时传热过程将会变成常见的傅里叶形式。
(3)当忽略热流加速的时间惯性时,由于空间效应的存在,热量仍以有限速度传播,很好的解释了稳态下非傅里叶现象。可以更普适的描述热量的传递过程。
超急速传热过程中热弹性响应的解析分析
基于L-S广义热弹性理论,借助于Laplace正逆变换,在弱化耦合作用的基础上推导了一维超急速传热问题热弹性响应的解析解。通过对超急速传热过程中温度场、位移场以及应力场的求解分析,得到如下结论:
(1)在超急速传热过程中,热量以有限的速度传播,且热波的传播速度与热松弛时间的平方根呈反比关系。随着热松弛时间的递增,热流矢与温度梯度之间的延迟效应增大,热量传播的延迟区域不断扩大。当热松弛时间一定时,随着热作用时间的递增,热波的波前不断向前推进,热延迟区域逐渐减小。
(2)在热波及弹性波共同作用下,在弹性体内部区域形成应力集中,应力峰值点及大小与热松弛时间密切相关,热松弛时间越大,延迟效应越明显,热冲击效应越弱。
飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度
利用飞秒脉冲激光烧蚀金属的双温模型以及非傅里叶热传导模型,算得飞秒激光烧蚀铝靶和铜的冲击温度以及冲击温度的分布.在脉宽为50fs和能量密度为2×10−3J/cm2的激光脉冲作用下,铝靶和铜靶的冲击温度分别为1210K和2160K.计算结果表明,铝靶和铜靶的冲击温度的传播表现出波动性,并且铝靶的冲击温度振荡较铜靶的剧烈.分析表明,靶材的表面反射率、吸收系数以及电子比热容等材料参数是影响冲击温度大小的根本原因.对于给定靶材,冲击温度随激光能量密度的增加而增加,随脉宽的增加而减小.飞秒激光烧蚀固体靶冲击温度绝对值的确定,对安全操控飞秒激光加工含能材料具有重要意义.
1960年,美国科学家Duwez等首先发现,高温液态金属在103~107K/s的冷却速度下快速凝固,使合金组织和性能发生了重大变化。这一发现,为全世界的物理冶金和材料科学工作者开辟了一个全新的领域。30多年来,关于金属快速凝固工艺的研究有了长足的进展,发展了熔体溅射急冷法,雾化急冷法,表面急速熔凝法等多种快凝工艺。大量的研究结果表明,快速凝固可以实现对合金凝固过程的结晶控制与偏析控制,使晶粒细化2一3个数量级,可以得到非晶体合金,从而使材料的各项性能,包括强度、塑性、耐磨性、耐蚀性、磁性以及触媒效率等都有了大幅度提高和显著的改善。
金属性能与晶相组织之所以能在快速凝固时发生显著的变化,主要源于超常传热条件下的超常相变。金属快速凝固过程实质上是一种非平衡凝固过程。由于在快凝过程中,液/固相变界面的前进速度很快,当晶体生长速度超过液相中溶质原一子的扩散速度时,固液界面前沿的溶质原子将部分或全部被生长着的固相所吞没,即发生所谓溶质捕获,最后导致材料内部结构偏离平衡态,出现过饱和固溶体,使材料处于亚稳态。正是这种非平衡的相变过程给新材料的箭体结构和性能带来了一系列重大变异。 2100433B
随着工程技术的发展,特别是激光加热、金属快速凝固以及器件的小型化等现代高新技术的发展,带来了许多热作用时间极短、瞬时热流密度极高、温度变化极为迅速、尺度微观的超常传热行为并成为了当前研究热点。Peshkov 最早在超低温液氦Ⅱ的实验中发现热量以波动的形式以有限速度传播,随后人们发现当热作用时间极短或器件尺寸微细化后,热量将以有限速度传播,而这个与经典傅里叶定律描述的热量以无限大速度传播相矛盾。为了克服这个缺陷,研究者基于超常传热的物理机制,建立起各种考虑有限热传播速度的非傅里叶热传导模型。最早是由 Cattaneo 首先对傅里叶扩散模型进行了修正,随后有单相延迟模型、修正双曲型模型、微观两步模型、纯声子散射模型、双相延迟模型等。受实验难度影响,目前针对超急速传热行为的研究大多以理论分析为主,即采用上述的非傅里叶导热模型,对这些超常行为进行求解分析。目前主要采用解析求解和数值求解的方法,王颖泽等采用解析的方法求解了超急速传热过程中热弹性响应;王文亭等人采用数值的方法求解了飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度;何天虎等应用拉普拉斯变换及数值反变换技术研究了一半无限大金属薄膜在边界上受简谐温度作用的一维热传导问题。Jiang运用 Laplace 变换法研究了空心球体在内外两个表面温度突然变化时的双曲型热传导问题。这些模型都很好的描述了在超急速传热过程中热量以有限速度传播。
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恒温恒湿机急速入门
icebird-chn.com 恒温恒湿机传感器的定义及组成传感器的定义及组成 (1) 恒温恒湿机传感器的定义 恒温恒湿机传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件 或装置。传感器输出信号有很多形式,如电压、电流、频率、脉冲等。输出信号的形式由传 感器的原理确定。 (2) 恒温恒湿机传感器的组成 一般讲恒温恒湿机传感器通常由敏感元件和转换元件组成。 其中,敏感元件是指传感器 中能直接感受被测量的部分; 转换元件指传感器中能将敏感元件的输出, 转换为适于传输和 测量的电信号的部分。 由于传感器输出信号一般都很微弱, 需要有信号调节与转换电路将其 放大或转换为容易传输、 处理、记录和显示的形式。 随着半导体器件与集成技术在传感器中 的应用, 传感器的信号调节与转换电路, 可安装在传感器的壳体里, 或与敏感元件一起集成 在同一芯片上。 因此,信号调节与转换
恒温恒湿机急速入门 (2)
icebird-chn.com 恒温恒湿机传感器的定义及组成传感器的定义及组成 (1) 恒温恒湿机传感器的定义 恒温恒湿机传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件 或装置。传感器输出信号有很多形式,如电压、电流、频率、脉冲等。输出信号的形式由传 感器的原理确定。 (2) 恒温恒湿机传感器的组成 一般讲恒温恒湿机传感器通常由敏感元件和转换元件组成。 其中,敏感元件是指传感器 中能直接感受被测量的部分; 转换元件指传感器中能将敏感元件的输出, 转换为适于传输和 测量的电信号的部分。 由于传感器输出信号一般都很微弱, 需要有信号调节与转换电路将其 放大或转换为容易传输、 处理、记录和显示的形式。 随着半导体器件与集成技术在传感器中 的应用, 传感器的信号调节与转换电路, 可安装在传感器的壳体里, 或与敏感元件一起集成 在同一芯片上。 因此,信号调节与转换
《超流氦传热》系统介绍了超流氦的基本特性、物理基础、实验手段,剖析了超流氦在冷却应用中涉及的流动与传热相关的基本热物理问题,进而对其进行了深入的分析和讨论,并对相关科学研究的前沿问题进行了介绍。针对超流氦的流动与传热特性及其在低温系统中的冷却应用,结合近年来的研究成果与进展。
《超流氦传热》内容全面新颖,适合于从事低温技术研究、设计、教学和生产的科技人员以及从事低温物理研究和应用的科研人员,特别适合于从事超流氦物理与冷却应用技术、低温流体力学与传热学、高能物理实验技术和凝聚态物理研究的科研人员阅读,也可以作为大学低温和制冷专业及凝聚态物理专业高年级学生的选修课教材和研究生的教学参考书。
前言
第1章 氦的性质及超流氦的获得
1.1 氦元素简介
1.2 气氦和液氦的性质
1.2.1 非临界区域氦的热力学性质
1.2.2 临界区域氦的热力学性质
1.2.3 非临界区域氦的输运性质
1.2.4 临界区域氦的输运性质
1.3 液氦和超流氦的获得
1.3.1 液氦的获得
1.3.2 大型氦液化(制冷)系统及液氦储存容器
1.3.3 超流氦的获得
1.4 超流氦的热物性
参考文献
第2章 超流氦的基本理论
2.1 超流氦的特异性质和二流体模型
2.2 超常导热、热机械和机械热效应
2.3 声波的传播
2.4 互摩擦作用
2.5 卡皮查热阻
2.6 超流氦沸腾现象
参考文献
第3章 超流氦的量子特性
3.1 玻色-爱因斯坦凝聚和"准粒子"的理论概念
3.2 声子和旋子
3.3 超流氦中的涡旋线
3.4 临界速度
3.5 超流氦中的量子涡旋
参考文献
第4章 超流氦流动与传热相关的实验系统及实验方法
4.1 超流氦恒温器和相关辅助系统
4.1.1 玻璃恒温器和压力控制系统
4.1.2 金属恒温器
4.2 超流氦流动与传热实验系统
4.2.1 平板加热器及导线型加热器
4.2.2 超流氦流动相关实验系统
4.3 超流氦实验研究中的各种传感器
4.3.1 压力传感器
4.3.2 温度传感器
4.4 超流氦流动与传热的可视化实验方法
4.4.1 纹影与阴影可视化方法
4.4.2 特殊的低温可视化实验系统
4.4.3 高速数字摄像机
4.4.4 超流氦沸腾传热实验过程
参考文献
第5章 超流氦中的第二声波
5.1 常规的热波方程
5.1.1 DP1模型的理论背景
5.1.2 DP1模型的提出
5.1.3 DP1导热问题的求解
5.1.4 DP1导热的一些特殊物理特性
5.2 超流氦中的一维平面第二声波研究
5.2.1 线性第二声波(无量子涡旋作用)
5.2.2 量子涡旋作用下的第二声波
5.3 超流氦浴中的非平面非线性第二声波研究
5.3.1 非平面非线性第二声波的相关实验研究
5.3.2 第二声波的衰减和热激波
5.3.3 超流氦中二维第二声波的传播特性
5.3.4 超流氦中三维第二声波的理论模型及传播特性
5.4 超流氦中第二声波的可视化实验
5.4.1 PIV在超流氦第二声波实验中的应用
5.4.2 第二声波的激光全息干涉可视化
5.4.3 纹影法对第二声波的测量研究
参考文献
第6章 超流氦的传热特性
6.1 超流氦传热中的前驱传热状态及膜态沸腾的发生
6.2 超流氦的膜态沸腾传热研究
6.2.1 饱和态超流氦的最大热流密度
6.2.2 过冷态超流氦的最大热流密度
6.3 不同形状加热元件下和不同流道中的传热情况
6.4 超流氦瞬态传热研究
参考文献
第7章 与超流氮膜态沸腾传热相关的热物理现象
7.1 超流氦膜态沸腾状态的分类
7.2 膜态沸腾过程中的压力振荡研究
7.2.1 小过冷度下的沸腾状态
7.2.2 大过冷度下的沸腾状态
7.2.3 饱和态沸腾状态下的压力振荡
7.3 超流氦沸腾过程中的温度振荡
7.3.1 在小热流密度和短加热时间情况下,噪声沸腾状态中的温度振荡
7.3.2 剧烈噪声沸腾巾的温度振荡测量
7.3.3 无噪声沸腾状态
7.3.4 噪声沸腾过程中温度振荡和压力振荡的耦合
7.4 超流氦沸腾过程中的非线性特性
7.4.1 噪声沸腾中的压力振荡过程的傅里叶分析
7.4.2 噪声沸腾中的压力振荡过程的非线性分析
7.4.3 超流氦沸腾过程中的临界自组织现象和压力振荡中的广波谱
7.4.4 超流氦沸腾过程中的不同沸腾状态的非线性分析
7.4.5 超流氦中不同沸腾状态的小波分析
参考文献
第8章 超流氦中不同沸腾状态的分界
8.1 不同氦浴温度下沸腾状态的分界
8.2 分界图的理论分析
8.2.1 噪声沸腾状态和过渡沸腾状态的分界
8.2.2.l 无噪声沸腾状态和过渡沸腾状态的分界
8.2.3 不同沸腾状态的三维分界图
8.3 过冷态超流氦沸腾中的稳定性分析
参考文献
第9章 超流氦流体力学
9.1 超流氦的流动研究
9.1.1 超流氦的理想流体运动方程
9.1.2 超流氦的黏性流体运动方程
9.2 超流氦的空泡流动
9.3 超流氦的两相流动与传热
参考文献
第10章 超流氦的冷却应用及前沿科学问题研究
10.1 超流氦冷却超导磁体
10.2 超流氦的相分离研究
10.2.1 空间相分离器的分类
10.2.2 多孔塞的工作原理
10.3 超流氦的空间应用
10.3.1 超流氦空间储存方式
10.3.2 超流氦的空间相分离系统
10.3.3 超流氦空间恒温器的结构设计
10.3.4 超流氦空间恒温器的热设计
10.3.5 超流氦空间恒温器内的液体晃动
10.4 有关超流氦研究的前沿物理问题
10.4.1 与超流氦相变相关的前沿研究
10.4.2 固氦中的超流特性研究
参考文献
……
低温技术是一门既古老又年轻的学科。从发展历史来看,在19世纪末20世纪初,unde、Dewar和Onnes等对低温技术的发展做出了巨大的贡献,使得低温技术学科得以迅速发展。低温技术作为一种重要的支撑技术,在现代许多学科和技术的发展中起到了重要的作用。近几十年来,低温及其相关技术在许多领域中扮演着越来越重要的角色,如深空探测、热核聚变技术、凝聚态物理等,它们都成为这些前沿科学研究中不可缺少的部分。在很多应用中,环境要求所需要的温度非常低且稳定,同时对冷量的大小也有较高的要求,此时使用液氦甚至超流氦来提供低温环境则成为最佳的选择。