基本介紹
- 中文名：超急速傳熱
- 外文名：rapid transient heat transfer
- 學科：熱力學
- 分類：非穩態傳熱過程
- 意義：反映傳熱過程的劇烈程度
- 套用：金屬快速凝固
研究進展,傳熱解析分析,熱慣性效應,熱彈性回響,衝擊溫度,實際套用,套用發現,套用原理,
研究進展
隨著工程技術的發展，特別是雷射加熱、金屬快速凝固以及器件的小型化等現代高新技術的發展，帶來了許多熱作用時間極短、瞬時熱流密度極高、溫度變化極為迅速、尺度微觀的超常傳熱行為並成為了當前研究熱點。Peshkov 最早在超低溫液氦Ⅱ的實驗中發現熱量以波動的形式以有限速度傳播，隨後人們發現當熱作用時間極短或器件尺寸微細化後，熱量將以有限速度傳播，而這個與經典傅立葉定律描述的熱量以無限大速度傳播相矛盾。為了克服這個缺陷，研究者基於超常傳熱的物理機制，建立起各種考慮有限熱傳播速度的非傅立葉熱傳導模型。最早是由 Cattaneo 首先對傅立葉擴散模型進行了修正，隨後有單相延遲模型、修正雙曲型模型、微觀兩步模型、純聲子散射模型、雙相延遲模型等。受實驗難度影響，目前針對超急速傳熱行為的研究大多以理論分析為主，即採用上述的非傅立葉導熱模型，對這些超常行為進行求解分析。目前主要採用解析求解和數值求解的方法，王穎澤等採用解析的方法求解了超急速傳熱過程中熱彈性回響；王文亭等人採用數值的方法求解了飛秒雷射燒蝕金屬靶的衝擊溫度；何天虎等套用拉普拉斯變換及數值反變換技術研究了一半無限大金屬薄膜在邊界上受簡諧溫度作用的一維熱傳導問題。Jiang運用 Laplace 變換法研究了空心球體在內外兩個表面溫度突然變化時的雙曲型熱傳導問題。這些模型都很好的描述了在超急速傳熱過程中熱量以有限速度傳播。
傳熱解析分析
熱慣性效應
超急速傳熱過程中熱慣性效應的解析分析
基於熱質的概念，根據牛頓力學分析方法建立了溫度突變加熱條件下熱質運動的波動方程。藉助Laplace正逆變換，推導了半無限大薄板外表面受熱衝擊作用下熱慣性效應的解析表達式，給出了超急速傳熱過程中熱波的傳遞規律，揭示了熱質慣性對傳熱行為的影響：
（1）受到熱質慣性的影響，熱量以有限速度傳播，呈階躍性分布，在波前尚未到達的區域內，溫度保持初始值不變。
（2）當熱作用時間與弛豫時間和特徵長度相當時，非傅立葉現象很明顯，且當τ0→0，l→0時，熱慣性效應消失，此時傳熱過程將會變成常見的傅立葉形式。
（3）當忽略熱流加速的時間慣性時，由於空間效應的存在，熱量仍以有限速度傳播，很好的解釋了穩態下非傅立葉現象。可以更普適的描述熱量的傳遞過程。
熱彈性回響
超急速傳熱過程中熱彈性回響的解析分析
基於L-S廣義熱彈性理論，藉助於Laplace正逆變換，在弱化耦合作用的基礎上推導了一維超急速傳熱問題熱彈性回響的解析解。通過對超急速傳熱過程中溫度場、位移場以及應力場的求解分析，得到如下結論：
(1)在超急速傳熱過程中，熱量以有限的速度傳播，且熱波的傳播速度與熱鬆弛時間的平方根呈反比關係。隨著熱鬆弛時間的遞增，熱流矢與溫度梯度之間的延遲效應增大，熱量傳播的延遲區域不斷擴大。當熱鬆弛時間一定時，隨著熱作用時間的遞增，熱波的波前不斷向前推進，熱延遲區域逐漸減小。
(2)在熱波及彈性波共同作用下，在彈性體內部區域形成應力集中，應力峰值點及大小與熱鬆弛時間密切相關，熱鬆弛時間越大，延遲效應越明顯，熱衝擊效應越弱。
衝擊溫度
飛秒雷射燒蝕金屬靶的衝擊溫度
利用飛秒脈衝雷射燒蝕金屬的雙溫模型以及非傅立葉熱傳導模型,算得飛秒雷射燒蝕鋁靶和銅的衝擊溫度以及衝擊溫度的分布.在脈寬為50fs和能量密度為2×10−3J/cm2的雷射脈衝作用下,鋁靶和銅靶的衝擊溫度分別為1210K和2160K.計算結果表明,鋁靶和銅靶的衝擊溫度的傳播表現出波動性,並且鋁靶的衝擊溫度振盪較銅靶的劇烈.分析表明,靶材的表面反射率、吸收係數以及電子比熱容等材料參數是影響衝擊溫度大小的根本原因.對於給定靶材,衝擊溫度隨雷射能量密度的增加而增加,隨脈寬的增加而減小.飛秒雷射燒蝕固體靶衝擊溫度絕對值的確定,對安全操控飛秒雷射加工含能材料具有重要意義.
實際套用
套用發現
1960年,美國科學家Duwez等首先發現,高溫液態金屬在103~107K/s的冷卻速度下快速凝固,使合金組織和性能發生了重大變化。這一發現,為全世界的物理冶金和材料科學工作者開闢了一個全新的領域。30多年來,關於金屬快速凝固工藝的研究有了長足的進展,發展了熔體濺射急冷法,霧化急冷法,表面急速熔凝法等多種快凝工藝。大量的研究結果表明,快速凝固可以實現對合金凝固過程的結晶控制與偏析控制,使晶粒細化2一3個數量級,可以得到非晶體合金,從而使材料的各項性能,包括強度、塑性、耐磨性、耐蝕性、磁性以及觸媒效率等都有了大幅度提高和顯著的改善。
套用原理
金屬性能與晶相組織之所以能在快速凝固時發生顯著的變化,主要源於超常傳熱條件下的超常相變。金屬快速凝固過程實質上是一種非平衡凝固過程。由於在快凝過程中,液/固相變界面的前進速度很快,當晶體生長速度超過液相中溶質原一子的擴散速度時,固液界面前沿的溶質原子將部分或全部被生長著的固相所吞沒,即發生所謂溶質捕獲,最後導致材料內部結構偏離平衡態,出現過飽和固溶體,使材料處於亞穩態。正是這種非平衡的相變過程給新材料的箭體結構和性能帶來了一系列重大變異。
