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核泵散热系统的强化及其热平衡分析

核泵散热系统的强化及其热平衡分析

作者：王东东北大学

学位级别：硕士

核泵作为一种输送介质的动力装置已经广泛的应用于核设备系统中,而核设备上的装置往往工作在高温高压环境下,在受到大的热负载时,往往会对核泵零部件轴承的寿命造成很大影响,或者直接造成轴承失效,从而引发核事故。因此,为了保证设备热... 详细信息

核泵作为一种输送介质的动力装置已经广泛的应用于核设备系统中,而核设备上的装置往往工作在高温高压环境下,在受到大的热负载时,往往会对核泵零部件轴承的寿命造成很大影响,或者直接造成轴承失效,从而引发核事故。因此,为了保证设备热安全,对整个核泵散热系统进行安全设计就显得尤为重要。然而,目前对核泵散热系统的研究很难进行实验检测,同时对散热系统的强化多采用单一方式,并没有形成一套比较完整的核泵散热系统的优化方案,对核泵的热设计不能提供有效的数据支撑。在此背景下,本文以某一型号的立式离心泵为研究对象,做了如下相关内容的分析和计算:(1)介绍核泵相关知识,以及物体传热、散热的原理,和国内外传热计算的相关研究。(2)分析微分法、热阻网络法及数值模拟各自的优缺点,选择适合本文用的热计算方法,介绍热网络法的相关理论及计算方法。(3)利用热阻网络法对整个核泵传热系统建立相应的热模型,得到相应的温度分布,结合核泵的结构特点,提出两种强化散热的方式:其一,对泵轴采取增加散热片的方式来强化散热,分析计算散热片对泵轴系统的散热效果影响。其二,安装风机对轴承支架强制对流散热,分析计算风机对泵轴散热的影响。(4)在保证核泵散热安全的前提下,对加装风扇的参数要求给出了设计方法,并通过FULENT软件对风扇的来流风速和风压给出验证。(5)利用ANSYS中的Steady-State Thermal模块对轴承支架进行稳态热分析,得到轴承处的温度分布,与热阻网络法计算结果对比,验证核泵热平衡计算方法的准确性和强化散热系统的有效性。在以上内容的基础上,本文总结出一套核泵热平衡计算方法,并致力于探究一套强化核泵散热的系统方法,并且通过有限元软件进行验证,确保该方法的稳定可靠。

关键词：核泵热阻网络法热平衡计算强化散热数值模拟

永磁容错电机匝间短路故障下的快速温度场分析

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永磁容错电机匝间短路故障下的快速温度场分析

作者：钱鹏亮江苏大学

学位级别：硕士

随着能源政治化与环境的日益恶化,电动汽车越来越受到各国政府的重视,永磁电机因其高效率和高功率密度已成为电动汽车的首选。为了保障驾驶者的人身安全,国内外学者提出了具有低短路电流和带故障运行的永磁容错电机。虽然该类电机能避... 详细信息

随着能源政治化与环境的日益恶化,电动汽车越来越受到各国政府的重视,永磁电机因其高效率和高功率密度已成为电动汽车的首选。为了保障驾驶者的人身安全,国内外学者提出了具有低短路电流和带故障运行的永磁容错电机。虽然该类电机能避免故障的传导,但单层集中绕组仍难以避免匝间短路故障的发生。更为重要的是,相比整相短路,匝间短路故障发生的概率高且短路电流大,会使电机温度急速上升,导致电机部分绕组烧毁,威胁电动汽车的运行安全。为此,本文以一台五相永磁容错(Fault-Tolerant Permanent Magnet,简称FTPM)电机为对象,提出了一种匝间短路电流的解析计算方法,该方法考虑了短路匝之间的互相耦合,可以预测出不同的短路匝数以及不同温度下的匝间短路电流大小。在此基础上,本文提出了一种简化的热阻网络(Lumped Parameter Thermal Network,简称LPTN)模型用以分析匝间短路故障下FTPM电机的瞬态温升,该模型考虑了周向的热传递,变化的铜耗以及不均匀的热源分布。并且建立了FTPM电机的三维模型,用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)法分析了FTPM电机匝间短路故障下的瞬态温度,验证了简化LPTN模型的准确性。最后,通过将简化LPTN法计算结果与CFD法计算结果和样机实验的测试结果相对比,验证了本文所提温度场分析方法的准确性。本文的具体研究成果包括以下几个方面:1.分析了FTPM电机额定工况下的铁耗与永磁体涡流损耗。根据匝间短路故障的电路图,提出了匝间短路电流的解析计算方法,该方法考虑了短路匝之间的互相耦合,可以预测出不同的短路匝数以及不同温度下的匝间短路电流大小,实现了将铜耗计算和电磁仿真分离开来。2.构建了FTPM电机在匝间短路故障下的简化LPTN模型,解决了传统LPTN模型建模成本高的问题,结合先前提出的匝间短路电流的解析计算方法,实现了FTPM电机匝间短路故障下的快速温度场分析。3.构建了FTPM电机的三维模型,用CFD法分析了FTPM电机匝间短路故障下的瞬态温升,并与简化LPTN法的结果进行对比,验证了简化LPTN法的准确性。4.加工了FTPM电机样机,构建了相应的实验测试平台进行相关实验,测量了FTPM电机在健康状态下以及匝间短路故障下的瞬态温升,并与简化LPTN法以及CFD法的结果进行对比,验证了简化LPTN法以及CFD法的准确性。

关键词：容错永磁电机匝间短路故障热阻网络法计算流体力学法磁热耦合

真空绝热板芯材/整体传热性能及新型应用研究

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真空绝热板芯材/整体传热性能及新型应用研究

作者：赵炜南京航空航天大学

学位级别：硕士

目前,真空绝热板(VIP)因为其卓越的隔热性能得到了广泛的应用,但对于VIP的研究仍存在一些不足之处需要进行补充。本文以干法玻纤芯材VIP为研究对象,对VIP从芯材到整体的传热性能进行研究并进行了服役预测。首先对干法玻纤芯材VIP的在芯... 详细信息

目前,真空绝热板(VIP)因为其卓越的隔热性能得到了广泛的应用,但对于VIP的研究仍存在一些不足之处需要进行补充。本文以干法玻纤芯材VIP为研究对象,对VIP从芯材到整体的传热性能进行研究并进行了服役预测。首先对干法玻纤芯材VIP的在芯材传热方面的传热模型以及传热性能进行了探索,其次采用数值方法对VIP热桥效应进行了评估,最终对弧形VIP在圆管形隔热结构的应用进行了服役性能的预测。采用直方均衡化以及像素矩阵统计的方式对VIP芯材SEM照片进行了处理与分析,得到VIP芯材的孔隙率与平均纤维直径为91%与3.5μm。孔隙率与芯材纤维平均直径作为结构参数代入芯材微观传热模型并生成微观传热单元,采用蒙特卡洛法完成传热单元的结构生成与传热统计分析,得到不同孔隙率与纤维平均直径下芯材的固相热导率。采用RBF神经网络建立玻纤芯材VIP固相热导率与孔隙率及平均纤维直径的关系得到芯材固相热导率经验公式,最终代入VIP芯材热导率计算式中的固相热导率项得到确定玻纤芯材VIP芯材热导率的完整公式。确定评估VIP热桥效应的准则。采用热阻网络法对干法玻纤型芯材VIP的热桥效应进行分析,建立二维及三维热阻网络模型。采用二维热阻网络建立VIP传热模型,分析性能参数与尺寸参数对恒温边界下VIP热桥效应的影响。性能参数为VIP芯材热导率,采用指数拟合确定性能参数对VIP热桥准则取值的影响;尺寸参数为VIP的厚度,长度以及阻隔膜厚度,根据分析与比对将自变量转换为VIP厚度,宽度与阻隔膜厚度的比值L,h,采用RBF神经网络预测L、h取值对VIP热桥效应准则的影响。结果显示VIP热桥效应随芯材热导率的增大、h的减小而微弱减小,随L的增大显著降低。采用MATLAB GUI设计模块进行VIP热桥评估界面设计。对采用AF阻隔膜的干法玻纤型芯材VIP进行热导率测试完成对热桥模型的验证,可得到在300mm×300mm的尺寸下,厚度为0.01～0.02mm并采用AF阻隔膜的VIP热桥效应可以忽略。采用圆柱坐标传热公式以及二分法迭代进行VIP管道外保温结构(稳态)的计算与设计,并采用固定厚度与固定热流密度两种方式比较使用VIP与不使用VIP的设计结构保温效果的异同。固定厚度时VIP的使用使热流密度降低了10～15%,固定热流密度时VIP的使用使保温层总厚度降低了2.4～9%。采用有限差分法对导弹外保温结构以及内部温度场(非稳态)进行计算,采用固定厚度与固定内层结构密度两种方式比较使用VIP与不使用VIP的设计结构的保温效果的异同。当固定厚度时,VIP的使用使得导弹内部温度达到40℃,另外两种结构分别达到了47℃与84℃;当固定内层密度时,VIP的使用使得导弹内部温度达到48℃,另外两种结构分别达到了64℃与74℃。VIP的使用提升了内外隔热结构的隔热性能,并节省空间,具有重要的工程应用价值。

关键词： VIP 蒙特卡洛法 RBF神经网络热阻网络法 GUI设计有限差分法

应用Sinda及TMG的星载机构热设计和分析方法研究

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应用Sinda及TMG的星载机构热设计和分析方法研究

作者：宋慧凯哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

星载机构-太阳帆板驱动机构作为卫星的重要组成部分，担负着传递能源和信号的责任，太阳帆板驱动机构的寿命决定了卫星的寿命。处于复杂太空环境中的星载机构，很容易发生热破坏，因此必须对星载机构进行热设计和热分析。但是目前使用... 详细信息

星载机构-太阳帆板驱动机构作为卫星的重要组成部分，担负着传递能源和信号的责任，太阳帆板驱动机构的寿命决定了卫星的寿命。处于复杂太空环境中的星载机构，很容易发生热破坏，因此必须对星载机构进行热设计和热分析。但是目前使用的热分析方法需要耗费大量的经费并且周期很长且困难，因此引入一种高效的热分析方法非常有意义。本文利用Sinda/G热阻网络法和TMG有限元法分别对星载机构的热设计分析和热分析方法进行研究，并根据热阻网络法和有限元法的思想提出了有限热阻网络法，主要研究内容如下：首先，分析了星载机构所处的空间环境，说明了星载机构内的传热方式包括热辐射和热传导，阐述了热传递分析的理论基础。根据驱动机构的三维模型结构，分别进行热设计和热分析的模型简化，建立了驱动机构热设计拓扑关系和热分析的等效模型;根据驱动机构等效简化的拓扑关系，建立了驱动机构的热阻网络模型，并布置太阳帆板驱动机构的各个零件的耗散节点，采用集总参数的思想计算各耗散节点的热容值以及各节点间的热阻值，进行了热设计分析;基于太阳帆板驱动机构的几何模型、大型复杂结构的简化原则以及连接轴承的热分析等效原则，通过热耦合来建立具有装配关系的零件间的热传导，利用热耦合参数等效零件间的接触热阻，建立了太阳帆板驱动机构的有限元热分析等效模型，并进行稳态和瞬态热分析研究;最后，根据热阻网络法和有限元法的思想提出了有限热阻网络法，在分别比较热阻网络法、有限热阻网络法与有限元法的分析结果的基础上，对热阻网络法和有限热阻网络法进行了对比研究，有限热阻网络法要明显优于热阻网络法，可以在设计之初结构未完全确定之前快速并且精确地得到零件的温度分布，将极大提高航天器热设计的效率，从而使得结构的热设计和热分析同步进行。将TMG中的热分析结果与实验结果进行了对比，热分析结果与实验结果较好的吻合，验证了热阻网络法的热设计分析和有限元法的热分析的有效性，也进一步验证了有限热阻网络法能准确快速有效的进行航天机构的热设计和热分析。

关键词：有限热阻网络法热阻网络法有限元星载机构

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月壤深层采样回转驱动部件温度场分析

月壤深层采样回转驱动部件温度场分析

作者：孔繁睿哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

探月三期工程的主要任务是在月球表面钻取长度不小于2m且保持层理信息的月壤样品。回转驱动部件是采样系统中最主要的动力装置,为取心钻具提供足够的回转动力,保证钻具能够按照不同的采样对象进行相应需求模式的钻进,其工作状态和可靠... 详细信息

探月三期工程的主要任务是在月球表面钻取长度不小于2m且保持层理信息的月壤样品。回转驱动部件是采样系统中最主要的动力装置,为取心钻具提供足够的回转动力,保证钻具能够按照不同的采样对象进行相应需求模式的钻进,其工作状态和可靠性极为关键。回转驱动部件在进行月壤采样工作时处于真空高低温交变的月面环境,温度场成为决定其性能的主要因素之一,基于此背景展开对回转驱动部件温升特性的理论与试验研究。本文采用热阻网络法对回转驱动部件的温度场进行理论分析,首先针对回转驱动部件的系统组成和运行状态进行原理性分析,分别对电机部分和行星减速器部分内部共计五类的热源进行精确计算。其次根据回转驱动部件正常工作时系统内部及其与外界的热量交换关系,构建相应的热阻网络理论分析模型,并将实际元件的热阻数值及热源产热数值等物理参数代入到热阻网络中,完成现实问题的参数化建模。然后遵循热力学第一定律建立整个系统各个传热节点的瞬时热量平衡方程组,采用秩1拟Newton法进行数值求解,通过MATLAB编程得到回转驱动部件在各工作模式下关键构件的温升曲线及系统整体的稳态温度场和瞬态温度场。最后开展回转驱动部件的真空测温试验,依照试验目的和要求搭建真空测温试验台并制定相应的试验方案和试验流程,在试验室内模拟月面真实环境,得到回转驱动部件可测节点在各个工作模型下的温升试验数据。本文针对月面特殊的真空环境,完成了回转驱动部件温度场的理论分析和试验研究,并依照热源的热量分布与具体的传热路径对热阻网络模型作进一步的优化;经过试验数据与计算数值的比较,两者结果基本一致,证明了理论分析方法的合理性以及计算模型的准确性;最终利用验证的理论模型预测回转驱动部件在月面采样时的温升状况,给出其在各个工作模式下的安全工作时间,为探月三期工程月面钻取采样的顺利实施提供技术支持。

关键词：月壤采样回转驱动部件温度场热阻网络法真空测温试验