选择性激光烧结环境控制中的传热传质研究

以选择性激光烧结的热质环境控制为应用背景，研究有限空间内具有移动内部固体热源的导热、表面辐射、及自然对流和混合对流传热传质的耦合问题。建立导热、表面辐射、移动热源耦合的自然对流和混合对流传热传质的物理和数学模型，针对研究模型发展有限容积法数值技术和Lattice-Boltzmann方法及并行计算技术，通过数值计算和实验以及理论分析，研究温度差和浓度差共同作用引起的自然对流和混合对流传热传质机理，查明耦合了导热、表面辐射、移动热源的自然对流和混合对流传热传质和流动的规律及物理参数和几何结构变化对这种耦合的流动、传热、传质规律的影响，研究多种方式耦合的传热传质和流动中存在的非线性特性，分析从周期性振荡发展到混沌的物理机制和条件。课题的研究丰富了传热传质学理论，揭示了传质中的非线性特性，有助于深刻认识和了解自然，具有重要的科学意义和理论价值，同时为控制选择性激光烧结需要的热质环境，奠定了理论基础

本课题的研究背景是选择性激光烧结加工技术的热质环境控制中的传热传质问题。在对材料表面按照一定的工艺要求有选择地进行激光烧结热加工中，材料周围的热质环境会影响到材料表面的温度，化学反应和化学物质的沉降，从而影响加工过程和效果，因此需要对加工中材料周围的热质环境进行控制。本课题抽象出的科学问题是有限空间内具有固体热源和固液相变的导热、表面辐射、及自然对流和混合对流传热传质的耦合问题，其中包括对有限空间内由于温度差和浓度差共同作用引起的自然对流和混合对流传热传质规律及非线性特性的研究，以及耦合了导热、辐射、自然对流和混合对流多种传热方式和传质规律的研究。由于课题研究的问题较为复杂，对数值模拟方法要求较高，因此本课题包括了格子Boltzmann方法、其与SIMPLE方法结合的数值模拟方法、以及分子动力学方法的研究。本课题对传热传质规律及模拟方法的研究结果，能够应用在燃煤锅炉燃烧和传热及燃烧器内气固多相流动的研究上，因此，本课题研究成果中包含了部分应用研究成果。本课题主要取得了如下研究进展：针对本课题的科学问题，发展了格子Boltzmann方法，分子动力学方法以及移动界面处理技术等数值模拟方法；对有有限空间内导热、对流及表面辐射耦合的传热问题建立了模型，并进行了数值模拟，获得了其物理规律；对有限空间内有温度梯度和浓度梯度共同作用的自然对流和混合对流传热传质问题进行了数值模拟，分析了代表浓度梯度和温度梯度的特性参数对流动和传热传质的影响及其规律；采用多种数值方法，研究了各种有限空间中的自然对流、混合对流中的传热传质规律及其中存在的非线性特性；实验验证了数值结果，证实在一定条件下需考虑导热、对流、辐射的耦合以及三维效应；对锅炉炉膛和燃烧器涉及的燃烧、气固多相流及传热传质进行了模拟，指导工程应用。本课题支持发表论文（有标注）37篇，其中有9篇国际刊物论文、已被SCI和EI检索的论文分别为3篇和16篇；支持16名研究生的培养，其中9人已获博士或硕士学位，另有3人已完成学位论文；支持3名40岁以下中青年学术带头人的培养；支持获得中国特种设备检验协会科学技术二等奖一项、发明专利2项、实用新型专利和软件著作权个1项。