液氮浴中沸腾换热系数的反传热求解与验证

论文摘要

深冷处理技术作为一种有潜力的热处理工艺,已经在各行各业中得到较为广泛的应用,然而其对材料的作用机理问题还存在争议,需要进一步进行研究,而分析其中的传热问题是机理探索的基础之一。深冷处理通常以液氮为冷却介质,此时工件在液氮浴中的沸腾换热系数是一个非常重要的参数。目前沸腾换热系数求解方式有很多,包括经验公式法、集总参数法、给定热流法和反传热法等。与其它求解方式相比,反传热法种类多且求解精度较高,从而在沸腾换热系数的求解中采用反传热方法成为一种选择。本文首先介绍了课题背景及意义、沸腾换热经验公式及Westwater沸腾实验结果、反传热方法的研究进展,以及本课题的研究基础等背景。第二章基于反传热方法原理及考虑显式有限差分法的应用限制,编写了用于计算一维导热条件下沸腾换热系数的程序。考虑到程序需要调用时间间隔极小的温度数据,设计了一套快速采集温度的反传热测量装置,并对自制热电偶响应时间进行了估测。对不锈钢块不同朝向时各测点的温度变化情况进行了测量,并利用反传热程序对实验数据进行分析,以了解不锈钢块朝向对沸腾换热系数的影响情况。鉴于利用反传热方法得到的换热系数数据存在波动且存在个别不合理数据点,采取对换热系数数据进行分段拟合以及修正后再分段拟合等方法获得相关表达式。最后为验证上述换热系数的准确性,对两个不同测试对象的整体温度场分别进行了实验测量和采用不同方法所得换热系数的数值模拟,并将两者的结果进行了对比分析。结果表明,根据五种不同方法得到的换热系数的模拟结果与实验测量结果之间都存在一定的偏差,利用反传热计算并去除个别不合理数据点后的修正拟合所得换热系数更加贴近实际测量结果。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 符号清单
• 目次
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 沸腾换热经验公式及Westwater沸腾实验结果
• 1.2.1 沸腾换热经验公式
• 1.2.2 Westwater沸腾实验结果
• 1.3 反传热研究进展
• 1.3.1 分析法的发展
• 1.3.2 数值解法的发展
• 1.4 课题的研究基础
• 1.5 本文主要工作
• 第2章 反传热方法及求解程序
• 2.1 反传热方法原理及分类
• 2.1.1 反传热方法原理
• 2.1.2 反传热方法分类
• 2.2 时间步长和空间步长的选取
• 2.3 反传热程序的编写
• 2.3.1 各节点温度和敏感系数的计算
• 2.3.2 不锈钢物性的拟合
• 2.3.3 反传热程序的编写
• 2.4 本章小结
• 第3章 利用反传热方法求解沸腾换热系数
• 3.1 反传热测温装置
• 3.2 热电偶响应时间的估测
• 3.2.1 热电偶焊接头的导热模型
• 3.2.2 焊接头物性参数的选取
• 3.2.3 焊接头导热过程模拟
• 3.3 测量结果
• 3.4 利用程序计算换热系数
• 3.5 换热系数的拟合
• 3.6 本章小结
• 第4章 换热系数的验证
• 4.1 验证实验装置
• 4.2 实验测量结果
• 4.3 模拟结果与实验结果对比及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 前景与展望
• 参考文献
• 附录 反传热计算程序
• 作者简历