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低温显微实验台温度场的有限元分析

作　者: 张辉
导　师: 高才
学　校: 合肥工业大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 低温生物显微镜 温度场 计算流体力学(CFD) Ansys
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 22次
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内容摘要


为了设计符合低温生物学研究要求的低温显微实验台,实现对生物材料的温度控制,利用Ansys有限元分析软件构建了一种功率补偿型的低温显微实验台的物理模型,拟通过控制电加热功率控制样品的升降温和等温过程,分真空和气体两种环境考察了满足特定降温速率和等温的电生热体的变化规律。主要内容有:(1)设计了低温台的结构,包括系统尺寸的确定,材料热物理性质的分析,冷源的选取等。(2)通过数值模拟,研究了在不同环境下低温台中样品的物性参数对生热率和样品温度分布均匀性的影响。结果表明:(1)样品密度、比热对降温过程中的生热率影响较大,并与生热率呈线性关系,而热导率对生热率几乎没有影响。在不同环境中,当样品的物性参数和降温速率一定时,氮气和氦气环境下的生热率比在真空环境中的生热率大。等温阶段生热率的选择几乎不受样品物性的影响,而受降温速率影响。(2)密度和比热对样品温度分布均匀性影响较小,而在真空环境中的影响比在氮气和氦气环境中的影响明显。热导率在0-200W/(m?K)范围内时,对样品温度分布的均匀性影响较大;热导率在200-800W/(m?K)范围内时,对样品温度分布均匀性影响很小。本文的分析结果对于低温显微实验台电加热系统的设计和加热功率的选择具有重要指导意义。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
致谢  8-14
第一章 绪论  14-22
  1.1 低温生物医学技术概述  14-17
    1.1.1 低温保存的机理方法和应用  14-15
    1.1.2 低温损伤的机理  15-17
  1.2 低温显微技术概述  17-20
    1.2.1 低温显微镜的历史、现状及发展趋势  18-20
  1.3 本文低温显微镜的研究  20-21
    1.3.1 研究内容及意义  20-21
    1.3.2 设计拟解决的问题和预期效果  21
  1.4 本章小结  21-22
第二章 低温显微系统的设计  22-26
  2.1 低温显微实验系统的建立  22
  2.2 低温台简介  22-24
  2.3 本系统低温台的整体结构设计  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章 真空环境下的低温台的有限元分析  26-49
  3.1 问题分析  26
  3.2 有限元软件ANSYS 热分析介绍  26-27
  3.3 低温台样品池物理模型各部分材料的定义  27-29
    3.3.1 样品材料的选择  27
    3.3.2 热端材料的选择  27-28
    3.3.3 冷端材料的选择  28
    3.3.4 样品池材料的选择  28
    3.3.5 低温台各部分材料物性参数  28-29
  3.4 传热模型的建立  29-30
    3.4.1 物理模型的建立  29-30
    3.4.2 数学模型的建立  30
  3.5 样品池物理模型的网格划分、时间步长的优化和加载条件的确定  30-35
    3.5.1 网格划分多的正确性与经济优化  31-35
    3.5.2 载荷时间步的优化  35
    3.5.3 确定模拟计算过程中的加载条件  35
  3.6 真空环境下低温台的温度场  35-37
  3.7 样品热物性对生热率、样品温度分布均匀性的影响  37-47
    3.7.1 确定样品温度分布均匀性的考察标准  38
    3.7.2 样品密度的影响  38-41
    3.7.3 样品比热的影响  41-44
    3.7.4 样品热导率的影响  44-47
  3.8 本章小结  47-49
第四章 气体环境下的低温台的有限元分析  49-73
  4.1 问题分析  49-50
  4.2 有限元软件ANSYS FLOTRAN 流场分析功能  50
  4.3 数学模型的建立  50-51
  4.4 低温台结构的选择  51-53
    4.4.1 带有不同位置的进气管和出气管的气体腔比较  51-52
    4.4.2 不同体积的气体腔比较  52-53
  4.5 气体环境下的低温台温度场和流场分析  53-55
  4.6 氮气环境下的低温台样品热物性对生热率和样品均匀性的影响  55-64
    4.6.1 确定模拟计算过程中的加载条件  55
    4.6.2 样品密度的影响  55-58
    4.6.3 样品比热的影响  58-61
    4.6.4 样品热导率的影响  61-64
  4.7 氦气环境下样品热物性对生热率和样品均匀性的影响  64-72
    4.7.1 样品密度的影响  64-67
    4.7.2 样品比热的影响  67-69
    4.7.3 样品热导率的影响  69-72
  4.8 本章小结  72-73
第五章 总结和展望  73-75
  5.1 全文总结  73
  5.2 未来工作展望  73-75
参考文献  75-78
攻读硕士学位期间发表的论文  78-79

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器 > 显微镜
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