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[硕士论文] 刘剑
流体机械工程 武汉科技大学 2018(学位年度)
摘要:高压圆盘气体轴承气膜内的气流被加速至超音速,气流温度梯度大,气流与轴承壁面间存在明显的对流换热,热载荷对轴承圆盘变形的影响已不能忽略。因此,研究边界层对流换热特性,是进一步研究轴承热变形和设计轴承结构的基础。
  对轴承气膜内的流场进行数值求解,分析气膜间隙、供气压力轴承半径对气膜边界层的影响,结果表明:减小气膜间隙、降低供气压力、增大轴承半径,均可促进气膜边界层的发展;边界层完全发展后,主流被边界层淹没,气流速度下降,使气膜内的压力维持在较高水平,从而提高了气体轴承的承载能力,并以此确定了轴承实验模型的工作参数。
  计算了轴承壁面与气流间的对流换热系数,通过与Bartz公式计算结果的对比,验证了数值计算结果的可靠性。分析了供气总压、总温对对流换热系数的影响,结果表明:增大供气总压时对流换热系数增大,增大供气总温时对流换热系数减小。分析了对流换热系数的分布特征,结果表明:随着轴承半径的增加,气流雷诺数下降,对流换热系数总体趋于下降趋势;气流速度由超音速下降至亚音速是造成对流换热系数局部快速下降的原因;气膜内边界层交汇是造成对流换热系数局部增大的原因。
  计算了轴承在压力载荷和热载荷共同作用下的变形量,结果表明:压力载荷造成碳钢轴承的形变量仅为热变形量的20.2%;分析了材质、轴承圆盘厚度不同轴承结构对轴承圆盘变形的影响,结果表明:随着轴承圆盘厚度的增加,碳钢圆盘的热变形量增大,而透明石英玻璃圆盘的变形量减小,由此确定了不同材质时轴承实验模型的设计结构。
[硕士论文] 常文俊
流体机械工程 武汉科技大学 2018(学位年度)
摘要:钢包的保温性对精炼处理和连铸工艺、生产流程管理以钢包寿命有着重要的影响,轻质化直接影响钢厂冶炼节奏的加快和钢包的扩容。“超保温”、“长寿化”、“轻质化”成为当代钢包发展的主题。单一研究钢包保温性能和钢包长寿化、轻质化的文献较多,但作为一体化研究,尤其是相互影响的研究较少,对钢铁行业的发展新工艺的发展起不到很好的促进,因此有必要进行深入化的研究。
  本文以传统钢包为研究对象,基于传统钢包壳的温度测量和有限元软件对钢包内衬的结构和材料的物性参数进行分析和优化,实现钢包的超保温、轻质化、长寿化。本文的主要研究内容如下:
  (1)基于传统钢包分析钢包的保温、轻质、长寿三个性能主要影响因素,分析对比得出性能相互影响规律,为后续研究提供理论基础。
  (2)基于对传统钢包的温度场仿真和钢包壳的温度测量实验,掌握了钢包温度水平和分布情况,验证传统钢包模型建立的有效性,接着对钢包内衬材料的物性参数进行分析模拟对比,得到新型钢包的初步内衬的结构和物性参数。
  (3)针对新型钢包内衬结构,对其进行多场的耦合分析。实验结果表明新型钢包的外壳温度和温降都比传统钢包的低,说明钢包的保温性能有所提升,从应力云图看出新型的应力分布比较均匀,平均应力较传统的低,从侧面上也说明了钢包的寿命也有所延长,流场的分析也为钢包的长寿化提供一些理论分析基础。
  (4)钢包寿命的研究,首先对钢包壳进行疲劳分析,然后利用神经网络对钢包的内衬厚度进行预测,以此可以较为准确的了解钢包内衬的损耗情况,较传统经验估计和运行调整更能合理的延长钢包的使用寿命。
[硕士论文] 余健文
流体机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:环境污染、爆炸物检测、食品安全等领域中痕量物质信息获取对于现场检测技术提出了迫切需求,离子迁移谱技术作为一种基于常压环境下痕量物质快速检测的方法,有望在这些领域中发挥重要作用。而随着离子迁移谱技术的发展,各种基于不同原理的离子迁移谱分析器开始出现,对于离子迁移谱的核心器件-分析器的优化也在不断进行.离子迁移谱分析器传统的优化主要包括基于条件简化的理论分析方法以实验对比验证方法,在分析精度和便捷性上难以满足现有的离子迁移谱应用需求。
  基于此,本文开展了离子迁移谱关键部件的仿真优化研究。借助COMSOL软件强大的多物理场耦合计算能力,对常压气相介质中的离子在流场和电场共同作用下的运动情况进行仿真模拟,建立了广泛应用于危害毒险品检测的飞行时间离子迁移谱(DTIMS)、大气细颗粒物主流检测手段的平板型差分迁移率谱(DMA)两种分析器的仿真模型,在此基础上对影响这两种分析器探测精度的关键部件结构和工作参数进行了优化设计,得到了以下结果。
  1、对Bradbury Niclson离子门和Tyndall离子门通断过程中离子运动进行了仿真,得到了在初始的结构和工作参数下,能完成截断离子流功能所需要的最低的关门电压,得到了Tyndall离子门开关时间对离子迁移谱分辨率和灵敏度的影响机制,得到了离子门最佳工作电场强度。
  2、对DTIMS分离电场均匀性和强度对分辨率的影响进行了仿真,发现了前端离子门会产生导致离子群空间分布发散的径向电场分量,而这是谱图峰展宽的重要原因之一。基于此,得到了优化的分离电极结构,得到了优化电场强度分布。
  3、对DTIMS电荷收集效率的流场和电场影响进行了研究,发现反吹气位置对电荷收集影响较小,而反吹气流量和牵引电场强度对其影响较大,其中电场强度与收集效率成正比,而反吹气流量则存在优化区。
  4、基于对DTIMS的仿真结果,设计了应用于环境中VOCs检测的DTIMS分析器,并完成样机的搭建,以二甲苯为样品进行了检测,验证了样机工作的可靠性。
  5、针对平板型DMA在检测细颗粒物时分辨率提升受扩散作用的制约这一问题,对其结构、电场、流场等进行了仿真,发现了鞘气流量、电极狭缝对分辨率的提升作用饱和点,得到了优化的分离区结构和工作参数。
  研究工作表明,基于多物理场耦合的有限元仿真方法可以为离子迁移谱分析器各关键部件结构、工作参数的优化设计提供有效的指导。
[硕士论文] 张静
流体机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:为保证稻谷的储存安全,需对新收获的含水率较高的稻谷进行干燥处理。干燥动力学的研究有助于深入研究干燥特性,对于研究水分扩散机理和干燥机设计均具有重要意义。
  基于热重分析研究了含水率为17.18%,21.05%和30.12%的稻谷在不同温度下的等温干燥动力学。研究表明,对于同一含水率的稻谷,温度越高,最终含水率越低。在同一干燥温度下,初始含水率越高,最终含水率越高。干燥速率和峰值干燥速率随着温度和含水率的升高而增大。采用5种不同的等温干燥模型对实验数据进行拟合分析,拟合效果均较好,其中Midilli and Kucuk模型拟合效果最好。有效水分扩散系数随干燥温度的升高和含水率的增加从3.97×10-10m2/s增大到5.25×10-10m2/s,随着含水率降低,活化能增加,活化能的范围为3.92~6.82kJ/mol。
  为研究稻谷真空干燥动力学特性,设计搭建了可准确控制相对压力、温度并实时测量质量的干燥动力学实验平台。该平台包括真空控制系统、温度控制系统、质量称量系统、实时数据采集与控制系统以数据处理系统。对实验平台韵真空控制、温度控制和质量测量性能进行测试分析,结果表明该平台能够实现相对压力和温度的准确控制并实现干燥数据的实时精确采集。
  以干基含水率为28.02%的稻谷为研究对象,研究了相对压力和温度对稻谷真空干燥特性的影响。结果表明,相对压力对稻谷干燥的影响不大,温度对稻谷真空干燥的影响较明显。温度越高,达到目标含水率所需的时间越短,干燥速率和峰值干燥速率越大。采用9种不同的薄层干燥模型对不同干燥温度下的实验结果进行拟合分析,模型拟合的相关系数R2均高于0.9860,拟合效果均较好,其中Midilli and Kucuk模型的R2均高于0.9990,拟合效果最好。在真空条件下,稻谷的有效水分扩散系数随温度的升高而增大,真空干燥活化能为37.43kJ/mol。
[硕士论文] 周嘉
流体机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:环境恶化和化石能源危机成为制约汽车工业发展的重要因素,迫使电动汽车回到历史舞台。由于动力电池组可靠性对温度变化趋于敏感,随着整车电池容量数量的提升,采取行之有效的热管理方案变得极为重要。
  本文将理论、仿真和试验三种研究方法相结合,根据锂离子动力电池组热管理系统高低温设计要求,结合单体锂离子电池的结构热特性,设计了一款具有微小通道热管理结构的电池组,并对该热管理结构进行优化。本文所做工作主要分为以下几个方面:
  (1)跟踪液冷热管理技术的发展现状,并明确了液冷热管理技术在整车应用中的关键地位。
  (2)介绍电池充放电机理特性参数,结合传热学计算流体力学基本理论,分析了电池的三种散热途径,采用结构化的六面体网格SST k-omega湍流模型进行仿真。
  (3)根据整车性能电池组空间要求,确定动力电池基本布局;等效模型并求解电池内核的热物性参数;简化电池生热模型,确定各区域功率密度;采用试验方法测得电池在0.5C和1C放电条件下的绝热温升;根据高低温工况要求,对双电池模组热管理结构进行设计校核,确定液冷板入口流量加热片功率,并与仿真结果结果进行比对,验证了仿真结果的可靠性。
  (4)采用仿真方法,优化分析液冷板结构性能。当通道截面长度相同时,带有第二种通道走向的液冷板换热性能较好,且流动损失较少;当通道总换热面积一定时,单侧10通道结构的液冷板换热性能较佳,电池内核最高温度相对较低;针对10通道液冷板,当外侧通道平均宽度为2mm、递减值为0.05mm时,流动均匀性换热性能较优。针对高温条件下双电池模组1C放电工况,采用试验方法验证了结构较优的液冷板的换热性能。
  (5)当单板流量为0.0974L/min时,模组中各液冷板流量分布均匀,温差控制在3℃以内;当进出口在电池组一侧时,内部空间余量较大,压力损失较大。高温工况下,电池换热性能能够达到预期目标,然而低温时部分组件出现一定程度的退化;对散热器、泵和加热片进行选型,以满足整个热管理回路流体循环以换热的需求。
[硕士论文] 寇钰
流体机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着浮空平台在众多领域的广泛应用,对浮空平台囊体整体漏率测试显的愈发重要。而现有浮空平台囊体整体漏率测试方法中存在测试系统费用高、操作复杂、测试精度低、环境影响大等问题。
  针对目前常用的绝压法测量囊体整体漏率存在的问题,本文采用参数补偿方法对囊体整体漏率进行测量,并通过验证性实验证明该方法可以有效抑制由于环境温度波动对测量结果产生的影响,减小测量误差。同时利用氧气枕进行缩比实验,测试结果相对误差低于15%,并结合不确定度传播规律得出实验测量装置总体不确定度为6.64%。本文利用气体标定法对测试系统中的膨胀室和刚性容器的体积进行了测量,同时对于柔性容器体积的测量提出了三种测试方法,并采用变化系数补偿法对被测容器的体积进行了测量,对柔性容器体积与压强关系进行初探。本文搭建了柔性容器整体漏率测试系统,设计数据采集的硬件软件系统,通过向标准室中添加镀银细铜丝的方式进一步抑制温度波动,并利用滑动平均滤波方法对数据进行滤波处理。同时基于柔性容器整体漏率测试系统对比了绝压法、差压法、参数补偿法三种方法,实验结果表明参数补偿法优于另外两种方法,并利用经参数补偿法变化系数补偿法修正后的数据结合积分法对被测容器的有效漏孔面积进行了计算。
  本文设计的柔性容器整体漏率测试系统具有成本低、操作简单、测试周期短等优点。
[硕士论文] 魏本猛
流体机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:真空技术在科学研究领域和工业生产领域发挥着十分重要的作用。由于泄漏的存在导致真空系统不能长时间保持理想的真空度是真空技术应用中存在的最大问题。真空计量技术中一项十分重要的内容是真空标准漏孔的研制。然而现有的标准漏孔存在漏率不确定,泄漏尺寸不可控,流动状态复杂等缺点,大大限制了真空计量技术的发展。研究具有可控的流动尺寸、流态和流导的标准漏孔近年来也成为真空技术中的一个较为热门的研究领域。
  针对上述传统标准漏孔制作中存在的问题,本文提出了一种通过二次选择镀膜方法,在多孔氧化铝薄膜上进行薄膜沉积从而获得特定的有效面积达到对漏孔元件的流导进行精确控制的目的。通过在多孔氧化铝薄膜表面整体沉积不同厚度的氧化铝薄膜,并使用氦质谱检漏仪对其本底泄漏进行测量,获得了可以密封多孔氧化铝上纳米孔的最佳膜厚;由于本项目实验采用的多孔氧化铝薄膜具有的纳米孔的直径小于大气压下的氦气、氮气和氩气的平均自由程,因而这些气体在流经该通道时由真空到大气压范围内均可以保持分子流状态,可以大大拓展标准漏孔的应用领域,简化标准漏孔检漏的工作量;利用自行搭建的基于差压法的真空漏孔校准装置和动态定容升压法的校准装置对制作得到的具有不同的有效面积的标准漏孔进行流导校准。结果表明其流导大小与有效面积的大小具有优良的对应关系,且漏孔的流导的大小不会随着前级压强的变化而变化,即该气体流经该真空漏孔时为分子流状态。使用本文提出的制作方法可以简单迅速地制作流导可控的分子流标准漏孔,成本低,对所需要的设备要求不高,具有十分广阔的应用前景。
[硕士论文] 杨木
流体机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:真空多弧离子镀是目前应用广泛的表面处理技术之一。其环境友好,所镀薄膜综合性能优异。但镀膜过程中产生的大颗粒污染影响会薄膜表面质量和性能,严重制约了其在半导体行业等高性能薄膜制备中的应用。实际应用中,为限制大颗粒污染,采取了各种技术措施,磁过滤装置便是其中之一。
  本文基于COMSOL Multiphys(1)cs53有限元仿真软件,针对不同类型磁过滤装置的工艺参数和传输情况,提出一种可辅助装置结构设计和参数调试的有限元仿真方法。通过建立45°、60°和90°弯管磁过滤装置的仿真模型,分析了磁场分布和带电粒子与大颗粒的传输情况,研究了线圈电流(磁场强度)、弯管偏压、机械挡板孔径、带电粒子入射角度等因素对装置传输效率的影响;采用所设计制作的90°弯管磁过滤装置上进行了四面体非晶碳(tetrahedral amorphous carbon,ta-C)薄膜制备实验,对仿真结果进行了验证,同时研究了线圈电流、挡板孔径电弧源电流对薄膜大颗粒分布的影响,以薄膜的综合性能,获得了以下结论:
  (1)通过调整磁过滤装置的线圈电流可对磁场强度进行有效控制,弯管中带电粒子的运动遵循拉莫尔旋进,大颗粒则会与装置内壁碰撞而被滤除;
  (2)靶材离子在弯管中的传输效率随线圈电流的增大而提高,较大的线圈电流使大颗粒数量增多;弯管偏压在11~16V时,靶材离子传输效率比不加偏压时提高约75~80%;
  (3)机械挡板孔径越大,靶材离子传输效率越高,但大颗粒污染严重;孔径越小,传输效率相对越低,但大颗粒滤除效果较好;增大电弧源电流,大颗粒数量和尺寸均呈增大趋势;
  (4)实验结果证明所用仿真方法具有较好的可行性,可用于各种类型磁过滤装置的设计与工艺优化;
  (5)在优化工艺参数下制备的ta-C薄膜,其sp3键含量高,达到60%,粗糙度、硬度等综合性能优异,颗粒平均数量不超过135个/μm2,颗粒平均直径不超过027μm,且工艺稳定。
[硕士论文] 时仪
流体机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:四极质谱仪是目前被广泛应用的质谱仪器。通过对四极质谱仪结构、场分、加工工艺等问题的进一步研究,有助于改善其性能。本文采用理论推导和有限元分析软件COMSOL Multiphysics5.2相结合的方法,围绕四极质谱仪的技术要求,对四极质谱仪进行了仿真研究和结构优化。主要内容如下:
  (1)基于四极场离子运动理论基础,结合低能粒子碰撞的极化散射理论,建立了带电粒子在四极质谱仪中的运动仿真理论基础,同时结合有限元仿真软件,得到了四极质谱仪分析器有限元仿真的理论基础。
  (2)构建四极质谱仪分析器仿真模型,对四极质谱仪分析器电场分布和离子运动轨迹进行了仿真研究。利用碰撞频率表征压强,对环境压强的影响进行了仿真研究,结果表明当环境压强高于10-2Pa时,离子通过率会明显下降。对Mathieu参数a、q值的影响进行仿真分析,结果表明,在参数选定时,需要对二者综合考虑。对入射离子能量,角度的影响进行了仿真研究,同时探讨了释放离子位置的影响,结果表明,离子准直入射到分析器能显著提升通过率。对离子电荷正负性对离子轨迹的影响进行了研究探讨,得到了分析器内正负离子的运动轨迹。基于射频相位角与时间的关系,对射频电场相位角的影响进行了探讨分析,并对离子入口孔径的影响进行了仿真研究,结果表明,当入射孔径的大小在中心轴线0.05R0的范围内,离子进入到分析器内能够实现最优的通过率。
  (3)基于四极质谱仪分析器的仿真研究结果和使用要求,结合聚焦透镜相关理论,以提高离子通过率为目的,对聚焦透镜系统进行了仿真研究和结构优化。对无聚焦透镜、有聚焦透镜无静电屏蔽、有聚焦透镜有静电屏蔽三种结构进行了仿真研究,得到了在分析器前端施加聚焦透镜,并施加静电屏蔽能够显著提高离子通过率并改善质谱性能的结论。
  本文的研究方法为四极质谱仪的生产设计提供了理论支撑和仿真技术上的支持,仿真研究结果为四极质谱仪的参数选定和结构优化提供了一定的参考。
[硕士论文] 吴庆猛
流体机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:纳米Ag颗粒具有局域表面等离激元共振(LSPR)特性,能够诱导可见光光催化,因此在光催化领域具有广泛应用。本组前期研究表明,纳米Ag经过等离子体氧化后,光催化性能大幅度提高,为探究机理,本文研究了纳米Ag的氧化其氧化物的分解过程。另外,金属纳米颗粒复合亦能够显著提高纳米Ag的光催化性能,本文采用纳米Cu颗粒与纳米Ag颗粒复合,探究纳米AgCu复合对纳米Ag光催化性能的改善并分析其机理。主要包括以下两个部分:
  第一部分探究了纳米Ag的氧化其氧化物的分解过程。首先采用真空电阻蒸发镀膜方法制备纳米Ag颗粒膜。利用氧等离子体辐照不同时长对纳米Ag进行氧化,随后将氧化后样品在N2中进行退火处理,调整退火温度退火时间,将氧化银分解。对样品的紫外-可见吸收光谱、拉曼增强性能、物性变化表面形貌进行了表征。根据表征结果建立了纳米Ag氧化其氧化物分解过程的模型。研究结果表明,氧等离子体辐照不能使纳米Ag完全氧化,辐照时间延长会生成更高价态的氧化银。没有被氧化的纳米Ag的表面等离激元共振被氧化银阻尼,这种阻尼是提高光催化效率的机制之一,另外,氧化后表面吸附的亲电子氧也有助于提高光催化效率。
  第二部分探究了纳米AgCu复合对纳米Ag光催化性能的改善改善机理。从构型、纳米Ag、Cu比例、样品表面含氧量三个方面进行了研究。采用真空电阻蒸发镀膜方法制备复合薄膜,改变纳米Ag、Cu的沉积顺序调整薄膜构型;改变纳米Cu、Ag颗粒膜厚度调整纳米Ag、Cu比例;利用氧等离子体辐照改变样品表面含氧量。对样品的紫外-可见吸收光谱表面形貌进行了表征,测试样品的光催化性能。研究结果表明,纳米Cu、Ag颗粒复合的构型影响复合结构的光催化性能,以纳米Cu颗粒膜为基体沉积纳米Ag,可显著改善纳米Ag的光催化性能,对一定量的纳米Cu,沉积适量纳米Ag,可使纳米Ag/Cu薄膜光催化性能最佳,与纳米Ag相比,提升率最高达342%;纳米Ag/Cu薄膜经氧等离子体辐照后,光催化性能进一步提升约35%。分析了光催化性能的改善机理。
  本研究对纳米Ag光催化性能提升机理方法的研究有科学意义,促进了纳米Ag在光催化领域的应用。
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