油介质钢-BFPC结合面的热特性分析

徐平; 洪志康; 沈佳兴; 于英华

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20210719

油介质钢-BFPC结合面的热特性分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210719

徐平^1,,
洪志康¹,
沈佳兴^{1, 2},
于英华^{1, 2}

1.
辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新 123000
2.
辽宁工程技术大学矿产资源开放利用技术及装备研究院，辽宁阜新 123000

基金项目: 国家自然科学基金（52005238，51375219）；辽宁省教育厅项目（LJ2019JL030）；辽宁省博士科研启动基金计划（2020-BS-256）

详细信息

作者简介:
徐平（1964—），男，教授，博士，研究方向为机械系统动力学分析及控制，E-mail：lnxuping@163.com

中图分类号: TK124
计量
- 文章访问数: 230
- HTML全文浏览量: 129
- PDF下载量: 8
- 被引次数: 1
出版历程
- 收稿日期: 2021-09-16
- 修回日期: 2022-03-03
- 网络出版日期: 2023-09-13
- 刊出日期: 2022-03-17

Thermal Characteristics of Steel-BFPC Interface Under Oil Medium

XU Ping^1
,,
HONG Zhikang¹,
SHEN Jiaxing^{1, 2},
YU Yinghua^{1, 2}

1.
School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
2.
Research Institute of Technology and Equipment for Open Utilization of Mineral Resources, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

摘要

摘要:
为了研究钢和玄武岩纤维树脂混凝土（BFPC）组成的结合面在油介质条件下的热特性，首先，利用离散原理来计算钢-BFPC结合面的实际接触面积，由于结合面接触时本质上是微凸体接触，微凸体会受到挤压形成挤压应力不同的面积区域，故进一步考虑接触比重，提高实际接触面积结果的精确性；然后，根据结合面的形貌特征，结合傅里叶定律分析油介质条件下钢-BFPC结合面的传热机理；最后，分别通过理论计算和实验研究分析不同载荷（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa）对结合面热特性参数的影响. 研究结果表明：接触热阻随着载荷增大而减小，传热系数和导热系数随着载荷增大而增大，不同载荷下，理论计算与实验计算的接触热阻误差分别为6.40%、6.18%、5.85%、4.61%、3.73%，接触热阻的误差随着载荷增大而减小.
- 离散原理 /
- 传热机理 /
- 热性能 /
- 钢-BFPC结合面 /
- 接触热阻
Abstract:
In order to study the thermal characteristics of the interface composed of steel and basalt fiber polymer concrete (BFPC) under oil medium conditions, the discrete principle was first used to calculate the actual contact area of the steel-BFPC interface. Since the contact surface is essentially a micro convex contact, the micro convex body is subjected to certain extrusion, forming an area with different extrusion stresses. Therefore, the accuracy of the actual contact area was further improved while considering the specific gravity of contact. Then, based on the morphology characteristics of the interface and Fourier’s law, the heat transfer mechanism of the steel-BFPC interface under oil medium conditions was analyzed. Finally, the influence of different loads (0.2, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0 MPa) on the thermal characteristic parameters of the interface was analyzed through theoretical calculation and experimental research. The results show that with the increase in load, the contact thermal resistance decreases, and the heat transfer coefficient and thermal conductivity coefficient increase. Under different loads, the error of contact thermal resistance between theoretical calculation and experimental calculation is 6.40%, 6.18%, 5.85%, 4.61%, and 3.73%, respectively. The error of contact thermal resistance decreases with increasing load.
- discrete principle /
- heat transfer mechanism /
- thermal performance /
- steel-BFPC interface /
- contact thermal resistance

HTML全文

高层建筑作为典型的风敏结构，建筑上的风荷载与其气动外形密切相关^[1-2]. 随着建造技术的发展，越来越多的辅助构件，如阳台、外伸板、粗糙条^[3-4]等被安装在高层建筑外立面. 这些附属物的存在不仅影响建筑的气动外形，也会改变建筑表面风压分布、风荷载及周围风环境. 因此，弄清附属物对建筑风效应的影响十分必要.

部分学者通过风洞试验探索了附属物对风压和风荷载的影响. 阳台可以显著改变迎风面上部的平均和峰值风压分布^[5-6]，建筑物表面风压降低约30%^[7]. 不同布置形式的肋板对风荷载的影响不同^[8]，连续水平板会略微增加顺风向平均基底弯矩，而间隔水平板能降低横风向脉动基底弯矩^[9]. 迎风面边缘附近的竖向肋板会增加迎风角区域的吸力^[10]，同时，还会显著降低表面脉动风压，最大降幅约为57%^[11].

虽然试验证明了附属物能减弱结构上的风荷载，但其抗风工作机理尚不清楚. 因此，为阐明附属物的流场修正机理，一些学者尝试利用流动可视化技术（PIV）和LES （large eddy simulation）研究附属物对建筑周围流场特征的影响. Ai等^[12]发现带栏杆的水平阳台能显著抑制迎风面和背风面附近的竖向流，但同时增强了近壁湍流脉动. Zheng等^[13]认为相邻阳台间的局部旋涡是影响风速和风压分布的重要因素. 建筑边缘附近的阳台能有效抑制流动分离，并破坏涡脱过程^[14].

除水平附属物外，Liu等^[15]发现竖向肋板能显著降低侧风面附近湍流脉动，并将高湍流区推离侧风面；Liu等^[16-17]认为迎风角竖向肋板附近形成的局部涡旋可以明显改变模型周围的流场结构；Hui等^[18]发现不同位置的肋板对流场结构的影响明显不同，迎风面肋板抗风作用最明显，而侧风面和背风面肋板对流场结构的影响较弱.

尽管部分学者探究了外伸肋板的流场修正机理，但由于肋板布置的复杂性，水平肋板的抗风工作机理仍需进行系统的研究.

本文采用LES方法研究大气边界层来流（ABL）下水平肋板密度和布置形式对高层建筑流场和气动特性的影响，并详细分析肋板对风场特征的影响，如近壁流、涡结构和竖向流等，借助流场信息阐明肋板的抗风工作机理，为实际高层建筑外辅助构件的抗风设计和布置提供参考.

1. 数值方法

1.1 模型信息

以刚性模型为目标高层建筑，模型长、宽、高（D、B、H）的比例为1∶1∶4. 模型缩尺比为1∶200，模型高度和对应实际建筑高度分别为0.4 m和80 m. 外伸肋板安装在模型的外立面，如图1所示. 图中：d为外伸长度，b、h分别为2个相邻板间的水平和垂直距离, α为风向角. 模型1～3研究肋板密度的影响，模型2～5研究肋板布局的影响. 外伸肋板主要有3个参数， d固定为0.06D （实际尺寸为1.2 m），该尺寸与阳台的尺寸相似^[6]. 肋板的具体尺寸信息如表1所示.

图 1 模型示意

Figure 1. Sketch of models

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 肋板尺寸信息

Table 1. Dimension information of ribs

模型编号	d/D/%	b/D//%	h/D//%
1	6		50.0
2	6		25.0
3	6		12.5
4	6	20	25.0
5	6	60	25.0

下载: 导出CSV

| 显示表格

1.2 控制方程及求解策略

本次模拟选择LES湍流模型，亚格子尺度模型为标准SGS （subgrid scale）模型，Smagorinsky常数C_s取值为0.13，C_s在0.10～0.14范围内模拟结果较好^[19]. 不可压缩流滤波后的N-S方程为

$\frac{{\partial {{\overline u }_i}}}{{\partial t}} + \frac{{\partial ({{\overline u }_i}{{\overline u }_j})}}{{\partial {x_j}}} = - \frac{1}{\rho }\frac{{\partial \overline p }}{{\partial {x_i}}} + \nu \frac{{{\partial ^2}{{\overline u }_i}}}{{\partial {x_j}\partial {x_j}}} - \frac{{\partial {\tau _{ij}}}}{{\partial {x_j}}}\;,$

(1)

${\tau _{ij}}{\text{ = }} - 2{\nu _{\mathrm{t}}}{\overline S _{ij}} + \frac{1}{3}{\tau _{kk}}{\delta _{ij}} ,$

(2)

${\overline S _{ij}}{\text{ = }}\frac{1}{2}\left( {\frac{{\partial {{\overline u }_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {{\overline u }_j}}}{{\partial {x_i}}}} \right)\;,$

(3)

$\frac{{\partial {{\overline u }_i}}}{{\partial {x_i}}} = {\text{0}}\;,$

(4)

式中：x_i （x_j）为笛卡尔坐标系中x、y、z 3个方向的坐标值， ${\overline u}_i\left(u_j\right)$ 为x、y、z 3个方向的速度， ${\overline p}$ 为滤波后的压力，ρ、ν分别为空气密度和运动黏度，τ_ij为SGS亚格子应力张量，ν_t为SGS涡黏性系数， ${\overline S}_{ij}$ 为滤波后的应变率张量，t为时间.

利用开源软件OpenFOAM进行瞬态模拟，求解器选择PimpleFoam. 在控制方程的求解中，数值模型离散格式选择如下：二阶后向差分方案用于时间离散，控制方程中的扩散项和对流项分别采用二阶中心差分格式和线性迎风稳定输运格式（LUST）. PIMPLE算法用于解决压力-速度耦合问题. 几何代数多重网格（GAMG）和预处理双共轭梯度（PBiCG）求解器用于计算迭代过程中的压力和速度^[20]. 本次模拟的时间步长设置为5 × 10⁻⁵，模拟中的平均库郎数（CFL）为0.008，最大库郎数小于1.200. 每个工况的总模拟时长为9 s.

1.3 网格信息和边界条件

计算域和网格信息如图2所示. 图中：①～④ 为加密区. 计算域入口处施加湍流来流（ABL），出口为自由流条件，侧壁和计算域顶部为滑移边界条件，建筑物表面和地面为无滑移边界条件，阻塞率为0.6%.

图 2 网格布局和计算域

Figure 2. Mesh configuration and computing domain

下载: 全尺寸图片幻灯片

利用网格生成工具snappyHexMesh生成网格系统. 本次模拟采用4个加密区实现网格的逐级加密（图2（a）、（b）），加密区 ①～④ 尺寸分别为9H × 3.5H × 2H、1.75H × 1.75H × 1.5H、0.75H × 0.75H × 1.1H、0.04H × 0.04H × 1.03H. 计算域内主要采用结构化网格，非结构化网格只出现在加密区的交界处. 3种不同的网格布局用于检查网格无关性，如表2所示. 网格2的近壁首层网格在水平方向上高度为1/125D. 建筑物附近竖直方向的网格尺寸远小于水平方向的网格尺寸，近地面的网格尺寸为1/600D，网格2的数量约为7百万.

表 2 网格信息

Table 2. Mesh information

网格	最小网格		最大网格		数量/百万
网格	x/y	z	x/y	z	数量/百万
网格 1	1/62.5D	1/300D	0.6D	1D	3.7
网格 2	1/125.0D	1/600D	0.6D	1D	7.2
网格 3	1/250.0D	1/1200D	0.6D	1D	13.6

下载: 导出CSV

| 显示表格

使用一致离散随机流生成（CDRFG）方法^[21]生成入口的脉动风速时程. 该方法基于速度功率谱的离散化和合成技术，可以很好地保持湍流能量和速度相干性，也可以准确评估作用在建筑物上的风荷载^[21]. 顺流向平均风速U、湍流强度I_u剖面^[22-23]及顺风向脉动风速功率谱如图3所示：速度剖面指数为1/6，建筑物屋顶处的顺风向平均风速U_H为8 m/s，对应的雷诺数Re=5.5 × 10⁴，建筑物高度处的湍流积分尺度L_uH为0.24 m. 目标建筑物处的风场特性决定结构上的风荷载. 由图3可知，平均风速和湍流强度剖面与已有文献^[22-23]结果吻合较好，但由于LES自身的数值耗散，模型位置处的湍流强度相比入口处有一定程度的减小；顺风向脉动风速谱也与von Karma谱^[20]一致，表明CDRFG方法生成的来流湍流是可靠的.

图 3 风场特征

Figure 3. Wind field characteristics

下载: 全尺寸图片幻灯片

1.4 气动力定义和结果验证

无量纲风压系数C_p、阻力系数C_d和升力系数C_l定义如下：

${C_{\mathrm{p}}} = \frac{{\Delta p}}{{{1 / 2}\rho U_{\mathrm{H}}^2}} \text{，}$

(5)

${C_{\mathrm{d}}} = \frac{{{F_{\mathrm{d}}}}}{{{1 / 2}\rho U_{\mathrm{H}}^2A}} ,$

(6)

${C_{\mathrm{l}}} = \frac{{{F_{\mathrm{l}}}}}{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. } 2}\rho U_{\mathrm{H}}^2A}} \text{，}$

(7)

式中：Δp为压差，F_d、F_l分别为总阻力和总升力，A为投影面积.

大涡模拟的结果验证如图4^[22-23]和所示. 图中：a、b、c、d表示模型边缘. 表中：AR为高宽比， ${\overline C}_{\mathrm{d}}$ 、 ${C}_{{\mathrm{d}}1}$ 为阻力的时均值和均方根值，C_l1为升力的均方根值. 可以看出，本次LES得到的平均风压系数 ${\overline C}_{\mathrm{P}}$ 的分布与已有研究结果接近^[22-23]，但LES得到的脉动风压均方根 ${C}_{{\mathrm{p}}1}$ 与已有结果略微差异，可能因为湍流生成方法、数值方案和网格分辨率等方面的差异造成的. 风压的差异会导致模型上风荷载不同（如表3所示）. 与已有研究结果相比，本次模拟结果在合理范围内，表明本次模拟结果是可靠的. 网格1会高估脉动风压均方根，网格2、3的结果更接近已有研究结果. 因此，本研究采用网格2方案来平衡计算成本和结果精度.

图 4 方柱压力分布及验证^[22-23]

Figure 4. Pressure distribution on square column and verification

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 3 参考方柱LES结果及验证

Table 3. LES results of square column and verification

方法	文献	R_e/10⁴	AR	${\overline C}_{\mathrm{d}}$	${C}_{{\mathrm{d}}1}$	${C}_{{\mathrm{l}}1}$	St
LES	网格 1	5.5	4	1.220	0.09	0.330	0.100
	网格 2	5.5	4	1.147	0.10	0.300	0.096
	网格 3	5.5	4	1.156	0.11	0.310	0.094
试验	文献 [22]	5.5	4	1.200		0.410	0.100
	文献 [23]	5.0	4	1.280	0.13	0.320	0.085
	文献 [24]	6.0	4	1.270	0.08	0.296	0.097
	文献 [25]	7.3	3	1.290			0.102
	文献 [11]	5.5	5	0.930		0.350	0.100
	文献 [10]	5.5	5	1.080

下载: 导出CSV

| 显示表格

2. 外伸板对流场结构的影响

2.1 平均流场结构

大气边界层来流下的建筑物周围会产生明显的三维流动结构，不同高度处的平均流场如图5所示. 可以看出：不同高度处的旋涡大小差异明显；相比模型1～3，在z=0.52H高度处，参考模型的尾涡相对较短，尺寸较小，表明肋板能拉长尾涡；模型顶部自由端效应导致建筑物屋顶附近尾涡缺失（z=0.95 H）.

图 5 不同高度处水平截面上的平均流线和平均流速

Figure 5. Mean streamlines and mean flow velocity on horizontal sections at different heights

下载: 全尺寸图片幻灯片

图6所示为竖直中心面（y=0D）上的顺风向平均风速和平均流线，以阐明水平肋板对竖向流动的影响. 对于参考模型，来流在迎风面0.73H高度附近停滞. 当模型上安装水平肋板时，迎风面上的驻点相比参考模型无明显变化，肋板附近形成小尺寸局部旋涡.

图 6 竖直截面上（y = 0D）的平均流线和平均流速

Figure 6. Mean streamlines and mean flow velocity on vertical sections （y = 0D）

下载: 全尺寸图片幻灯片

肋板密度会明显改变尾流区鞍点高度，鞍点高度随密度增加而减小，模型2、3的尾部鞍点高度分别为1.17D和1.23D（图6（c）、（d）），远低于参考模型的高度（1.50D）. 对比图6（c）、（d）的结果可以发现，沿建筑物高度的肋板密度较大时，肋板对尾部鞍点影响较小. 图6（c）中的点F表示流动再附点，局部旋涡再附在模型迎风面上.

另外，本节还研究了肋板水平间距（模型4和模型5）对平均流场的影响. 对比模型2、4、5的结果可以看出，随着水平间隙的增加，尾涡逐渐变小，尾部鞍点的高度明显变高（图6（c）、（e）～（f）），说明外伸板随着水平距离的增大，其对尾涡的影响逐渐变弱.

3. 外伸板对风压和风荷载的影响

3.1 外伸板密度影响

流场结构的变化会影响模型壁面风压分布（）. 由（a）可知，参考模型中心线上的 ${\overline C }_{\mathrm{P}}$ 沿竖向平滑变化， ${\overline C }_{\mathrm{P}}$ 最大值出现在0.8H左右. 当模型上安装外伸板时， ${\overline C }_{\mathrm{P}}$ 分布变化明显，模型1～3的 ${\overline C }_{\mathrm{P}}$ 呈“之”字形分布，肋板附近出现 ${\overline C }_{\mathrm{P}}$ 的局部最大值和最小值. Hui等^[9]也发现了迎风面和背风面 ${\overline C }_{\mathrm{P}}$ 的“之”字形模式. 这种结果可用图6所示的近壁流场来解释，因为肋板上、下形成的局部旋涡会导致局部压力的出现. 靠近模型自由端（0.8H～1.0H）或模型底部（0～0.3H）时，压力变化更显著（（a）），因为上、下部肋板附近形成的旋涡尺寸相对较大，大尺寸旋涡对 ${\overline C}_{\mathrm{P}}$ 的影响更大. ${\overline C }_{\mathrm{p}}$ 的变化幅度随着肋板密度的增加而减小，因为密集的肋板明显影响近壁流并减小肋板附近局部旋涡的尺寸（（b）～（d）中的区域L）. 较大的局部旋涡将导致模型1上出现较大 ${C}_{{\mathrm{p}}1}$ . 对于迎风面， ${C}_{{\mathrm{p}}1}$ 的变化也随着肋板密度的增加而减小，如图7（b）所示.

图 7 迎风面中心线上风压分布

Figure 7. Distribution of wind pressure on windward centerline

下载: 全尺寸图片幻灯片

在z=0.52H处，侧壁面上的风压分布如图8所示. 图中：A、B为侧风面边缘. 4个模型在0.52H处的风压系数在前缘和后缘处基本保持不变，（（a）），但模型边缘附近风压系数因流动分离和次级涡的影响而发生突变. 外伸板能明显降低侧壁面风压，相比参考模型，模型1～3在0.52H处的 ${\overline C }_{\mathrm{P}}$ 和 ${C}_{{\mathrm{p}}1}$ 小于参考模型， ${\overline C }_{\mathrm{P}}$ 和 ${C}_{{\mathrm{p}}1}$ 的最大降幅分别为20%和17%.

图 8 侧风面上风压分布

Figure 8. Distribution of wind pressure on sidewall

下载: 全尺寸图片幻灯片

带板和无板光面模型的平均阻力系数 ${\overline C}_{\mathrm{d}}$ 、 ${C}_{{\mathrm{d}}1}$ 和 ${C}_{{\mathrm{l}}1}$ 如所示，脉动力是荷载系数的标准差. 由表可知，外伸板虽然影响迎风面的压力分布，但其对阻力无明显影响，然而，带板模型1～3的 ${C}_{{\mathrm{l}}1}$ 明显较小，减幅约为27%，是因为模型1～3侧壁面风压较小（图8）.

表 4 参考方柱和模型1～3的风荷载系数

Table 4. Wind load coefficients for square column and models 1–3

名称	${\overline C}_{\mathrm{d}}$	${ C}_{{\mathrm{d}}1}$	${ C}_{{\mathrm{l}}1}$
方柱	1.147	0.100	0.300
模型 1	0.146	0.102	0.232
模型 2	0.149	0.102	0.219
模型 3	0.145	0.101	0.218

下载: 导出CSV

| 显示表格

3.2 外伸板布置形式的影响

为不同布置形式肋板模型的平均压力分布. 由图可知：连续和间断布置形式明显影响压力的分布；对于迎风面，肋板的存在使带板模型上的 ${\overline C}_{\mathrm{P}}$ 间断分布，模型4、5的 ${\overline C}_{\mathrm{P}}$ 表面压力分布特征逐渐消失；模型2中的连续肋板明显增加了模型迎风面顶部的 ${\overline C}_{\mathrm{P}}$ ；肋板显著降低整个侧壁面上的 ${\overline C}_{\mathrm{P}}$ ，尤其侧壁面底部，相比参考模型， ${\overline C}_{\mathrm{P}}$ 最大减小22%.

图 9 模型表面平均风压分布

Figure 9. Mean wind pressure distribution on model surface

下载: 全尺寸图片幻灯片

模型2、4、5的风荷载如表5所示. 由表可知，3个模型的阻力相似，但脉动升力从模型2到模型5逐渐增加，模型5的升力最大，这说明仅在模型角部布置水平板对升力影响较小.

表 5 模型2、4、5的风荷载

Table 5. Wind loads of models 2, 4, 5

名称	${\overline C}_{\mathrm{d}}$	${C}_{{\mathrm{d}}1}$	${C}_{{\mathrm{l}}1}$
模型 2	1.149	0.102	0.219
模型 4	1.156	0.106	0.229
模型 5	1.153	0.103	0.261

下载: 导出CSV

| 显示表格

4. 结　论

本文采用LES方法评估大气边界层流下外伸肋板对高层建筑气动特性的影响. 详细阐述了肋板密度和布置形式对模型流场特征的影响，如近壁流、涡结构和竖向流等，并借助流场信息阐明了壁面风压和整体风荷载的变化，以评估不同肋板的抗风性能，阐明湍流来流下外伸板的流场机理. 得到以下结论：

1）水平板明显影响尾涡尺寸和尾部鞍点，水平板能明显拉长尾涡. 尾部鞍点高度随着肋板密度的增加而减小，沿建筑物高度的肋板密度过大时，尾部鞍点无明显变化. 外伸板随着水平间距的增大，其对尾涡的影响逐渐变弱.

2）水平板可以有效抑制建筑立面附近的竖向流动，导致近壁流动形式明显变化. 连续竖直板明显影响近壁流，而间隔肋板对近壁流的影响相对较弱.

3）流场的变化会改变壁面风压分布. 水平板使迎风面的平均风压 ${\overline C}_{\mathrm{P}}$ 呈“之”字形分布. 水平板可以明显降低侧壁面上平均和脉动风压，最大降幅分别约为20%和17%.

4）水平板不改变模型的平均阻力 ${\overline C}_{\mathrm{d}}$ ，但会明显降低模型上的 ${ C}_{{\mathrm{l}}1}$ ，最大减幅为27%. 连续肋板相比间隔肋板能更明显的降低模型上的气动力.

5）连续布置且密度适中的水平肋板对高层建筑周围的流场结构和建筑上的风荷载影响更显著，因此，实际高层建筑外辅助构件的设计和布置时应采用连续水平肋板，肋板布置密度适中即可.

致谢：中国电建集团成都院科技项目（P49321，PA2202）

图 1 钢-BFPC结合面接触拓片

Figure 1. Steel-BFPC interface contact rubbing

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 边界接触单元实际接触面积

Figure 2. Actual contact area of boundary contact element

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 边界接触面积修正

Figure 3. Correction of boundary contact area

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 考虑接触比重的离散单元

Figure 4. Discrete element diagram considering specific gravity of contact

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 不同等分份数的离散结果

Figure 5. Discrete results of different equal aliquots

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 接触面积比与等分份数拟合曲线

Figure 6. Fitting curve of contact area ratio and aliquot

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 载荷对结合面接触热阻影响

Figure 7. Influence of load on contact thermal resistance of interface

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 实验装置

Figure 8. Experimental setup

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 理论计算与实验计算的接触热阻结果对比

Figure 9. Comparison of contact thermal resistance results between theoretical calculation and experimental calculation

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 理论计算与实验计算的接触热阻误差

Figure 10. Contact thermal resistance error of theoretical calculation and experimental calculation

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 不同等分份数的计算结果

Table 1. Calculation results for different aliquots

等分份数/份	内接触单元数/个	边界接触单元数/个	接触面积比
90	6236	722	0.8235
180	10726	7427	0.4502
270	15032	17615	0.3474
360	21738	27822	0.2542
540	36158	49821	0.1807
720	63545	63358	0.1413

下载: 导出CSV

表 2 不同载荷下计算得到的热特性参数

Table 2. Thermal characteristic parameters calculated under different loads

载荷P/ MPa	单位面积法向刚度/ （N·（m·mm²）⁻¹）	传热厚L_c/ μm	实际接触面积之比 A_c/A	导热系数λ_c/（W·（m·K）⁻¹）	传热系数h_c/（W·（m²·K）⁻¹）	接触热阻R_c/ (K·W⁻¹)
0.2	7769.34	1474.26	0.0502	0.262	177.716	0.250
0.4	13093.29	1469.49	0.0767	0.337	229.331	0.194
0.6	17326.02	1465.37	0.0918	0.380	259.320	0.171
0.8	21029.01	1461.96	0.1103	0.427	292.398	0.152
1.0	23105.36	1456.72	0.1349	0.483	331.675	0.134

下载: 导出CSV

表 3 不同载荷下实验计算得到的结合面热特性参数

Table 3. Thermal characteristic parameters of interface calculated by experiments under different loads

载荷P/MPa	T₁/ ℃	T₂/ ℃	温差ΔT/ ℃	导热系数 λ_c/（W·（m·K）⁻¹）	传热系数 h_c/（W·（m²·K）⁻¹）	接触热阻 R_c/（K·W⁻¹）	接触热阻误差/%
0.2	114.5	82.3	32.2	0.281	189.933	0.234	6.40
0.4	115.3	85.2	30.1	0.359	244.204	0.182	6.18
0.6	115.7	85.4	29.3	0.405	276.052	0.161	5.85
0.8	114.9	86.2	28.7	0.448	306.513	0.145	4.61
1.0	115.6	87.4	28.2	0.487	344.531	0.129	3.73

下载: 导出CSV

参考文献(22)

[1]	于英华,曹茂林,徐平,等. 玄武岩纤维树脂混凝土填充结构机床横梁优化及性能分析[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2021,40(1): 22-31. YU Yinghua, CAO Maolin, XU Ping, et al. Optimization and performance analysis structure of machine tool beam filled with basalt fiber polymer concrete[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science Edition), 2021, 40(1): 22-31.
[2]	沈佳兴,徐平,于英华,等. BFPC机床龙门框架组件优化设计及综合性能分析[J]. 机械工程学报,2019,55(9): 127-135. doi: 10.3901/JME.2019.09.127 SHEN Jiaxing, XU Ping, YU Yinghua, et al. Optimization design and comprehensive performance analysis of BFPC gantry machine framework components[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(9): 127-135. doi: 10.3901/JME.2019.09.127
[3]	屈重年,伍良生,马建峰,等. 铁基多孔含油固定结合面法向动态特性研究[J]. 振动与冲击,2013,32(13): 56-61. QU Chongnian, WU Liangsheng, MA Jianfeng, et al. Normal dynamic characteristics of a fixed joint interface with oily Fe-based porous-media[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(13): 56-61.
[4]	顾慰兰,杨燕生. 温度对接触热阻的影响[J]. 南京航空航天大学学报,1994,26(3): 342-350. GU Weilan, YANG Yansheng. The influence of temperature on contact resistance of metallic surfaces temperature[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 1994, 26(3): 342-350.
[5]	钟明. 接触热阻及双层组合介质温度场的研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2001.
[6]	许敏. 机床固定结合面动态与热态特性分析[D]. 南京: 东南大学, 2006.
[7]	ZOU M Q, YU B M, CAI J C, et al. Fractal model for thermal contact conductance[J]. Journal of Heat Transfer, 2008, 130(10): 101301.1-10130.9.
[8]	祁宁. 固—固界面接触热阻的实验研究及数据库查询系统的开发[D]. 南京: 南京理工大学, 2014.
[9]	ABDULLAH M Z, YAU Y C, ZAINAL ALAUDDIN A Z A, et al. Effects of pressure on thermal contact resistance for rough mating surfaces[J]. ASEAN Journal on Science and Technology for Development, 2017, 18(2): 29-35.
[10]	袁超. 热界面材料热阻模型和导热强化研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2017.
[11]	王佳. 机床固定结合面接触热阻的研究[D]. 天津: 天津大学, 2018.
[12]	李俊南,张锁怀,吕超颖,等. 分布式拉杆转子轮盘结合面接触热阻建模与分析[J]. 汽轮机技术,2018,60(4): 267-270,302. LI Junnan, ZHANG Suohuai, LV Chaoying, et al. Modeling and analysis of thermal contact resistance on joint interfaces of distributed rod fastening rotor[J]. Turbine Technology, 2018, 60(4): 267-270,302.
[13]	田小龙,王雯,傅卫平,等. 考虑微凸体相互作用的机械结合面接触刚度模型[J]. 机械工程学报,2017,53(17): 149-159. doi: 10.3901/JME.2017.17.149 TIAN Xiaolong, WANG Wen, FU Weiping, et al. Contact stiffness model of mechanical joint surfaces considering the asperity interactions[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(17): 149-159. doi: 10.3901/JME.2017.17.149
[14]	YASTREBOV V A, ANCIAUX G, MOLINARI J F. On the accurate computation of the true contact-area in mechanical contact of random rough surfaces[J]. Tribology International, 2017, 114(4): 161-171.
[15]	XU M, JIANG S Y, CAI Y. An improved thermal model for machine tool bearings[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 47(1): 53-62. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2006.02.018
[16]	HOLMAN J P. Heat transfer[M]. 9 ed. [S.l.]: McGraw-Hill, 2002: 53-55.
[17]	FENECH H, ROHSENOW W. Prediction of thermal conductance of metallic surfaces in contact[J]. Journal of Heat Transfer, 1963, 85(1): 15-24. doi: 10.1115/1.3686003
[18]	张学良,范世荣,温淑花,等. 基于等效横观各向同性虚拟材料的固定结合部建模方法[J]. 机械工程学报,2017,53(15): 141-147. doi: 10.3901/JME.2017.15.141 ZHANG Xueliang, FAN Shirong, WEN Shuhua, et al. Modeling method of fixed joint interfaces based on equivalent transversely isotropic virtual material[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(15): 141-147. doi: 10.3901/JME.2017.15.141
[19]	田红亮,刘芙蓉,方子帆,等. 引入各向同性虚拟材料的固定结合部模型[J]. 振动工程学报,2013,26(4): 561-573. TIAN Hongliang, LIU Furong, FANG Zifan, et al. Immovable joint surface’s model using isotropic virtual material[J]. Journal of Vibration Engineering, 2013, 26(4): 561-573.
[20]	SHEN J X, XU P, YU Y H. Dynamic characteristics analysis and finite element simulation of steel-BFPC machine tool joint surface[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2019, 142(1): 1-14.
[21]	徐平,曹泉,于英华,等. BFPC固定结合面虚拟材料参数识别[J]. 机械科学与技术,2021,40(8): 1305-1312. XU Ping, CAO Quan, YU Yinghua, et al. Parameter identification of virtual material in fixed joint interface of BFPC[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(8): 1305-1312.
[22]	龚钊,杨春信. 接触热阻理论模型的简化[J]. 工程热物理学报,2007,28(5): 850-852. GONG Zhao, YANG Chunxin. The simplification of the thermal contact conductance model[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(5): 850-852.

施引文献

期刊类型引用(0)
其他类型引用(1)

附加材料(0)

访问统计

点击查看大图

图(10) / 表(3)

计量

文章访问数: 230
HTML全文浏览量: 129
PDF下载量: 8
被引次数: 1

1. 数值方法
1.1 模型信息
1.2 控制方程及求解策略
1.3 网格信息和边界条件
1.4 气动力定义和结果验证
2. 外伸板对流场结构的影响
2.1 平均流场结构
3. 外伸板对风压和风荷载的影响
3.1 外伸板密度影响
3.2 外伸板布置形式的影响
4. 结　论

油介质钢-BFPC结合面的热特性分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210719

作者简介: 徐平（1964—），男，教授，博士，研究方向为机械系统动力学分析及控制，E-mail：lnxuping@163.com

计量

出版历程