【摘 要】
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高温环境下服役的机件多由金属材料制成,温度及载荷持续时间会对材料组织产生影响甚至会使其力学性能受到破坏,因此,金属材料的高温力学性能越来越受到航空航天、材料力学等领域科技工作者的广泛关注。本文以用于高温条件下小型金属试样材料动态力学性能实验中的加热装置为研究对象,通过理论分析、实验验证、数值模拟相结合的方法研究了加热装置的传热特性。主要内容如下:首先,根据传热学原理对加热装置的传热过程进行理论分析
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高温环境下服役的机件多由金属材料制成,温度及载荷持续时间会对材料组织产生影响甚至会使其力学性能受到破坏,因此,金属材料的高温力学性能越来越受到航空航天、材料力学等领域科技工作者的广泛关注。本文以用于高温条件下小型金属试样材料动态力学性能实验中的加热装置为研究对象,通过理论分析、实验验证、数值模拟相结合的方法研究了加热装置的传热特性。主要内容如下:首先,根据传热学原理对加热装置的传热过程进行理论分析,得到影响腔体热损失的因素(开口面积、内外温差、固体表面的辐射物性、内表面积等),为腔体设计提供指导方向。同时基于热网络法建立热分析模型,对加热装置进行节点划分,计算给定工况下各节点间的热阻及换热量,代入热平衡方程组求解得到加热装置的稳态温度场分布,为热源功率及温度选取提供参考依据。其次,依据理论分析结果并结合小型压入式材料试验机的规格及同类加热装置的常见构造对本文加热装置结构进行具体设计,根据温度需要,选取氮化硅陶瓷加热器作为热源,采用非接触式加热和带有底部热源的接触式与非接触式加热相结合的方式进行试验。实验结果表明在非接触式加热条件下试样的升温速率及所能达到的最高温度受热源温度影响较大;在加热腔底部增加热源后能有效缩短试样达到所需温度的时间。但当底部热源温度小于侧面热源温度时,在两种加热方式下试样能够达到的最高温度基本相同。最后,采用CFD方法对加热装置进行三维建模以及升温过程的非稳态计算,可将其视为开口空腔内湍流自然对流与辐射耦合传热过程,使用RNGκ-ε湍流模型与DO辐射模型,空气采用变物性参数处理,用实验数据验证了计算模型的可靠性。通过可视化结果如腔体中心对称面的温度分布云图、速度矢量图及温度和热流变化曲线等来反映腔体内部流动和传热特性。同时基于理论分析及瞬态传热过程探讨相关参数:材料热物性参数、表面辐射特性(内壁及热源发射率)、发热元件的布置形式及位置、加热腔几何参数(开口比、高宽比、形状)以及热源形式对试样升温过程的影响。本文计算工况内的模拟结果表明:1)随着温度升高,腔体对流热损失比重逐渐减小,辐射热损失比重逐渐上升并最终占据主导地位;2)腔体材料及表面发射率对试样升温速度影响较小;3)发热元件布置方式及位置改变时,试样达到800℃的时间最多减少了4.8%和7.8%;4)腔体内表面积减小有利于加快试样升温速度,内表面积一定时适当增加高宽比或改变侧壁面与底面夹角也有利于减少试样升温时间;5)采用壁面热源时比使用长条状发热元件时的升温效率更高,且减小腔体内表面积或侧面倾角对提高升温速度有利。
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