通量的案例
CFD學習：關于熱通量方程
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
熱通量定義為在單位時間內通過單位面積的表面傳遞的熱能。
熱通量密度以 SI 單位瓦特/平方米為單位測量。
系統中的熱通量取決于溫度梯度和傳熱系數。
根據介質的不同，傳熱機制分為傳導、對流或輻射
對能源的需求鼓勵我們探索可再生能源的機會。在非常規能源中，太陽能因其豐富而至關重要。太陽能用于公用事業發電和供暖。集中式太陽能發電廠滿足當今的能源需求。在聚光太陽能發電廠，尤其是太陽能接收器的設計中，熱通量和溫度是兩個主要的設計參數。了解熱通量有助于確定太陽能接收器的效率。
在大多數熱力學應用中，熱通量是一個重要的基本量，因為它會影響效率和性能。理論上，熱通量方程用于計算熱通量。然而，在實踐中，使用了一系列的熱量計、量規和輻射計。
讓我們探索熱通量及其方程。
熱流和傳熱機制
在給定系統中，只有當它們之間存在溫差時，熱量才會從一個點流向另一個點。熱量從溫暖的地方流向寒冷的地方。熱流只有在不同溫度點之間存在熱量傳播的介質時才會發生。
熱流或熱傳遞現象是復雜和多維的。根據存在溫度梯度的介質或介質組，傳熱機制可分為：
傳導 -在傳導過程中，熱流通過固體材料發生。
對流 -當熱量流過氣體和液體時，傳熱機制稱為對流。
輻射——電磁波攜帶熱能時，形成熱傳遞的輻射機制。
在上述傳熱機制中，熱量通過介質從一點傳遞到另一點。熱能傳遞的速率給出了傳導、對流和輻射中熱通量的概念。
什么是熱通量？
熱通量是單位時間內通過單位面積的表面傳遞的熱能的量。熱通量可以是從所考慮的表面傳遞或消散的熱量。熱通量也稱為熱通量、熱流密度、熱通量密度或熱流率強度。
展開 CFD學習：臨界熱通量
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
臨界熱通量是傳熱速率達到其最大極限的點。
臨界熱通量受加熱表面幾何形狀、熱通量、速度、壓力、溫度和表面條件等因素的影響。
預測臨界熱通量開始的準確性對于做出最大化流體系統傳熱能力所需的設計優化決策非常重要。
許多流體工程系統依靠高效的傳熱機制來確保系統性能和安全性的提高。這方面的一個例子是飛機系統，其中傳熱、溫度分布和熱應力的分析對于分析結構損壞和優化材料設計或用于空氣動力學安全的加熱/冷卻系統設計非常重要。
熱通量是流體系統熱分析中的一個重要參數，尤其是臨界熱通量。了解臨界熱通量的開始對于工程師做出有關最大化流體系統傳熱能力所需的設計優化的決策非常重要。
了解臨界熱通量和影響參數
臨界熱通量是流體系統中傳熱速率達到最大值的熱極限。超過這一點，由于蒸汽層的形成，熱傳遞率顯著下降，蒸汽層起到絕緣作用并阻止進一步的熱傳遞。
解釋臨界熱通量的一個簡單例子是沸騰過程。當鍋放在受熱表面上時，熱通量逐漸增加，導致鍋變熱，水最終沸騰。熱通量的進一步增加使沸騰過程更加劇烈。在熱通量值最大時，沸騰變得不穩定并導致形成一層氣泡。這是臨界熱通量的開始，由于與液體相比，蒸汽層的熱導率較低，因此傳熱率突然下降。
在臨界熱通量開始以上運行系統會導致過熱和故障。因此，該值的預測是設計和優化傳熱系統的重要部分。然而，有幾個參數會影響流體系統仿真中臨界熱通量的預測。
展開 CFD學習：模擬湍流熱通量分布
對湍流熱通量分布和行為進行建模對于進一步提高熱交換效率和性能非常重要。
大多數流體流動遵循湍流特性。當使用納維-斯托克斯方程以數學方式描述湍流時，通常會遇到一些限制。為納維-斯托克斯方程找到滿足初始條件并在湍流流體流動中繼續保持有效的獨特解是工程師面臨的常見挑戰。
大氣湍流就是一個例子，其中湍流熱通量的混沌性質使得求解控制方程在數學上具有挑戰性。大氣中存在湍流熱通量，即顯熱通量和潛熱通量。顯熱和潛湍熱通量在能量傳輸回大氣中發揮著重要作用。與大氣湍流類似，湍流熱通量存在于多種工程和技術系統中。我們將在本文中探討湍流熱通量。
大氣湍流熱通量
由于湍流熱通量，地球表面以輻射形式接收的能量被傳輸回大氣層。大氣中的湍流熱交換發生在毫米到公里范圍內的運動尺度上。大氣中有兩種湍流熱通量，即顯熱通量和潛熱通量，引起能量傳輸。白天，感熱通量使大氣加熱至 100m 左右。
雖然湍流在大氣和海洋中自然發生，但人類也將湍流納入了一些工程和技術過程中。讓我們在接下來的部分中了解一下湍流熱對流以及如何測量湍流熱通量。
瑞利數、普朗特數、努塞爾數與湍流熱對流的關系
湍流熱對流在工程技術和工業系統中用于傳熱和混合。湍流熱對流問題通常使用范式系統或瑞利貝納德 (RB) 對流系統來解決。以下無量綱數對于描述湍流傳熱和湍流熱對流具有很大的相關性。
瑞利數 -描述自然對流換熱的層流或湍流性質的無量綱量。瑞利數與格拉霍夫數和普朗特數的關系如下：
Ra x = Gr x * Pr
普朗特數 -普朗特數表示為動量擴散率與熱擴散率的比率。它給出了流體中湍流動量交換和湍流傳遞能力之間的相似性。普朗特數是流體的固有屬性。
努塞爾數 -流體表面發生的對流換熱可以通過努塞爾數來測量。
展開 OptiSystem：環形通量仿真
環形通量，顧名思義就是描述了光纖內部圓形半徑內的通量。環繞通量通常被量化為從光纖中心開始的半徑，該半徑需要環繞穿過光纖的25%到75%的光能。由環繞通量值描述的光纖的功率分布是確保千兆以太網系統中所需數據傳輸速率的關鍵因素。
本教程介紹使用環形通量分析儀進行的環形通量模擬。
1.仿真任務
在本例中，光學發射器將產生一個拉蓋爾-高斯空間模式LG00，光斑大小等于10μm。空間連接器的X和Y軸偏移為10μm。光纖的半徑為25μm，這與環繞的通量分析儀的分析半徑相同。
使用參數掃描將X和Y的值設置為0,2,4,6,8,10 mm，觀察環形通量的變化。
2.仿真步驟
下圖所示為光路圖。
光路布局
光斑模式設置
X和Y偏移設置
使用參數掃描將X和Y的值設置為0,2,4,6,8,10 mm。
3.仿真結果
使用環繞通量分析儀，您可以看到信號的環繞通量和平均強度。
第一張圖（左）顯示了發射器輸出處的模式。模式以（0,0）為中心，通量圖顯示最大通量約為10μm。
光斑圖 環通曲線
圖一 發射器的光斑圖和環通曲線
在空間連接器之后，橫模（中心圖）移動了10μm，最大通量約為20μm。
光斑圖 環通曲線
圖二 空間連接器后光斑圖和環通曲線
圖三為光纖輸出處模式的總和：信號以（0,0）為中心，通量圖顯示了20μm處的最大通量。
光斑圖 環通曲線
圖三 傳纖后光斑圖和環通曲線
我們可以比較每次掃描的環通量圖。
圖四 環通曲線隨X和Y變化關系
展開 
[Optiwave] OptiSystem應用：環形通量仿真
環形通量，顧名思義就是描述了光纖內部圓形半徑內的通量。環繞通量通常被量化為從光纖中心開始的半徑，該半徑需要環繞穿過光纖的25%到75%的光能。由環繞通量值描述的光纖的功率分布是確保千兆以太網系統中所需數據傳輸速率的關鍵因素。
本案例介紹使用環形通量分析儀進行的環形通量模擬。
1. 仿真任務
在本例中，光學發射器將產生一個拉蓋爾-高斯空間模式LG00，光斑大小等于10μm。空間連接器的X和Y軸偏移為10μm。光纖的半徑為25μm，這與環繞的通量分析儀的分析半徑相同。
使用參數掃描將X和Y的值設置為0,2,4,6,8,10 mm，觀察環形通量的變化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
光路布局
光斑模式設置
X和Y偏移設置
使用參數掃描將X和Y的值設置為0,2,4,6,8,10 mm。
3. 仿真結果
使用環繞通量分析儀，您可以看到信號的環繞通量和平均強度。
圖一（左）顯示了發射器輸出處的模式。模式以（0,0）為中心，通量圖顯示最大通量約為10μm:
圖一 發射器的光斑圖和環通曲線
圖二顯示在空間連接器之后，橫模（中心圖）移動了10μm，最大通量約為20μm:
圖二 空間連接器后光斑圖和環通曲線
圖三光纖輸出處模式的總和。信號以（0,0）為中心，通量圖顯示了20μm處的最大通量:
圖三 傳纖后光斑圖和環通曲線
我們可以比較每次掃描的環通量圖：
圖四 環通曲線隨X和Y變化關系
展開 CFD學習：熱通量
作者Cadence CFD 解決方案
要點
熱熱通量是單位面積上傳遞的熱能的速率。
熱通量管理對于最大限度地降低組件故障風險并保持關鍵航空航天應用的理想性能水平非常重要。
CFD 仿真可以預測熱模式、識別熱點以及評估冷卻策略，從而使系統設計人員能夠更深入地了解高熱通量區域并優化熱管理策略。
當飛機高速飛行時，它會遇到周圍空氣中不同的溫度和壓力。由于飛機和空氣之間的溫差，這會導致熱傳遞。這就是熱流密度的概念。
熱熱通量是熱量流過或傳遞通過表面的速率。
考慮到極端溫度和熱差，航空航天應用經常面臨管理熱通量的持續挑戰。為了確保航空航天器的安全和高效，探討熱流密度的作用和意義具有重要意義。
什么是熱通量？
熱熱通量是指單位面積上傳遞熱能的速率。在航空航天應用中，熱通量的主要來源來自發動機和電氣設備的加熱，或由于外部大氣因素。管理這些熱源和相關的熱通量對于防止過熱和組件故障等問題，同時保持關鍵系統所需的性能水平至關重要。
然而，考慮到所涉及系統的復雜性，熱通量的管理存在多種挑戰。
熱通量管理挑戰
挑戰
影響
高溫梯度
大的溫差會導致熱應力增加、材料退化，并最終導致系統故障。
動態熱源
航空航天系統由于發動機啟動等過程而經歷動態熱量，因此需要適應性強的熱管理解決方案。
展開 OptiSystem應用：環形通量仿真
環形通量，顧名思義就是描述了光纖內部圓形半徑內的通量。環繞通量通常被量化為從光纖中心開始的半徑，該半徑需要環繞穿過光纖的25%到75%的光能。由環繞通量值描述的光纖的功率分布是確保千兆以太網系統中所需數據傳輸速率的關鍵因素。
本案例介紹使用環形通量分析儀進行的環形通量模擬。 1. 仿真任務在本例中，光學發射器將產生一個拉蓋爾-高斯空間模式LG00，光斑大小等于10μm。空間連接器的X和Y軸偏移為10μm。光纖的半徑為25μm，這與環繞的通量分析儀的分析半徑相同。使用參數掃描將X和Y的值設置為0,2,4,6,8,10 mm，觀察環形通量的變化。
2. 仿真步驟下圖所示為光路圖。
光路布局
光斑模式設置
X和Y偏移設置
使用參數掃描將X和Y的值設置為0,2,4,6,8,10 mm。
3. 仿真結果使用環繞通量分析儀，您可以看到信號的環繞通量和平均強度。圖一（左）顯示了發射器輸出處的模式。模式以（0,0）為中心，通量圖顯示最大通量約為10μm:
圖一 發射器的光斑圖和環通曲線 圖二顯示在空間連接器之后，橫模（中心圖）移動了10μm，最大通量約為20μm:
圖二 空間連接器后光斑圖和環通曲線 圖三光纖輸出處模式的總和。信號以（0,0）為中心，通量圖顯示了20μm處的最大通量:
圖三 傳纖后光斑圖和環通曲線 我們可以比較每次掃描的環通量圖：
圖四 環通曲線隨X和Y變化關系
展開 FRED案例展示：輻射光源與光通量光源
作為光通量光源類型的補充，FRED 提供了光通量分析功能，如照度和光強。照度的單位為勒克斯lx（lm/m2）、照度單位（lm/cm2）或英尺燭光（lm/ft2），光照度是輻射通量輻照度（W/m2）的光通量等效量。輻照度和光照度計算使用常規的平面分析面。光強的單位為坎德拉cd（lm/sr），光強度是輻射通量強度（W/sr）的光通量等效量。強度（在極坐標網格上）和光強計算使用方向分析實體。
OptiSystem應用：環形通量仿真
環形通量，顧名思義就是描述了光纖內部圓形半徑內的通量。環繞通量通常被量化為從光纖中心開始的半徑，該半徑需要環繞穿過光纖的25%到75%的光能。由環繞通量值描述的光纖的功率分布是確保千兆以太網系統中所需數據傳輸速率的關鍵因素。
本案例介紹使用環形通量分析儀進行的環形通量模擬。
1. 仿真任務
在本例中，光學發射器將產生一個拉蓋爾-高斯空間模式LG00，光斑大小等于10μm。空間連接器的X和Y軸偏移為10μm。光纖的半徑為25μm，這與環繞的通量分析儀的分析半徑相同。
使用參數掃描將X和Y的值設置為0,2,4,6,8,10 mm，觀察環形通量的變化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
光路布局
光斑模式設置
X和Y偏移設置
使用參數掃描將X和Y的值設置為0,2,4,6,8,10 mm。
3. 仿真結果
使用環繞通量分析儀，您可以看到信號的環繞通量和平均強度。
圖一（左）顯示了發射器輸出處的模式。模式以（0,0）為中心，通量圖顯示最大通量約為10μm：
圖一 發射器的光斑圖和環通曲線
圖二顯示在空間連接器之后，橫模（中心圖）移動了10μm，最大通量約為20μm:
圖二 空間連接器后光斑圖和環通曲線
圖三光纖輸出處模式的總和。
展開 材料“金手指”，金屬材料高通量制備技術及案例分享
金屬材料高通量制備技術介紹
材料高通量制備技術可以在短時間內制備大量不同成分的新型材料，可以加速新型材料的研發與應用，被列為材料基因組技術的三大技術要素之一。其中金屬材料的高通量制備有多種制備方法，但傳統的金屬材料高通量制備方法制備周期長，制備樣品尺寸較小，能源消耗較高。
隨著增材制造技術的不斷發展，采用增材制造技術開展金屬材料的高通量制備也得到了迅速的發展，且增材制造高通量制備相較于傳統高通量制備技術呈現出了明顯的優勢：
1. 可以快速成型多種材料試樣；
2. 可以制備毫米級以上的塊狀樣品；
3. 研究過程中原材料消耗較少，更經濟。
圖1 金屬材料高通量制備方法總覽
安世亞太科技股份有限公司攜手鋼鐵研究總院，基于激光選區熔化技術開發了具有國際領先水平的DLM-120HT金屬材料高通量增材制備設備。
圖2 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺
DLM-120HT是基于異質粉末3D打印的新金屬材料開發高通量制備平臺。直接利用元素粉末或合金粉末進行激光選區熔化成型，一次打印過程可實現4種粉末、160種材料成分配比的力學性能樣件制備，適用于鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩選、性能研究以及梯度材料的研究。
圖3 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺技術路線
在最近結束的2021第四屆增材制造全球創新應用大賽中，DLM-120HT高通量增材制備平臺獲得了特別貢獻獎。
展開 DfAM專欄 | DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺助力新材料研究
其中金屬材料的高通量制備有多種制備方法，但傳統的金屬材料高通量制備方法制備周期長，制備樣品尺寸較小，能源消耗較高。隨著增材制造技術的不斷發展，采用增材制造技術開展金屬材料的高通量制備也得到了迅速的發展，且增材制造高通量制備相較于傳統高通量制備技術呈現出了
明顯的優勢：
可以快速成型多種材料試樣；
可以制備毫米級以上的塊狀樣品；
研究過程中原材料消耗較少，更經濟。
圖3 金屬材料高通量制備方法總覽
基于此，安世亞太科技股份有限公司攜手鋼鐵研究總院，基于激光選區熔化技術開發了具有國際領先水平的DLM-120HT金屬材料高通量增材制備設備。
圖4 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺
DLM-120HT是基于異質粉末3D打印的新金屬材料開發高通量制備平臺。直接利用元素粉末或合金粉末進行激光選區熔化成型，一次打印過程可實現
4種
粉末、
160種
材料成分配比的力學性能樣件制備，適用于鋼鐵材料、鋁合金、鈦合金、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩選、性能研究以及梯度材料的研究。
圖5 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺技術路線
DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺具有以下特色：
1、混構打印
能實現不同金屬粉末的混構打印，可自由設計成分過渡，加速新材料研發過程且可制備對不同部位有不同要求的梯度材料金屬構件，提高構件性能、延長使用壽命。
展開 
Sci.》用離心法對軟材料中的粘附進行高通量篩選試驗
總結
開發了一種高通量、快速且具有成本效益的離心粘附力學測試管道，可以使用易于訪問的實驗室設備和耗材來制備和表征粘附材料。獨特的離心沉積方法克服了滴注法的缺點，可以在多孔板的所有孔中沉積表面光滑、厚度均勻的薄膜。此外，離心粘附測試方法提供了一種定量測量，其結果由更標準的粘附測試驗證。團隊設想擴展我們基于離心力的方法以高通量測量其他機械性能，擴展先進材料表征的能力。該工作使粘合劑的高通量發現成為可能，并為材料界帶來了一種新穎的工具。此外，團隊希望將機械特性轉換為光信號的想法可以激發高通量機械測試的其他新過程。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acscentsci.1c00414
版權聲明：「高分子材料科學」旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。編輯水平有限，上述僅代表個人觀點。投稿，薦稿或合作請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
展開 Mater綜述：液滴微陣列--從表面圖案化到高通量應用
隨著對篩選通量要求的提高，人們提出了細胞微陣列的概念。對于常規的細胞微陣列方法，交叉感染是一個非常嚴重的問題，并且細胞陣列的密度以及通量受到限制。液滴微陣列為細胞的高通量陣列化提供了完美的解決手段。每個微液滴可看做獨立的細胞培養基，從而能夠保證高通量的情況下完全避免交叉感染。利用液滴微陣列技術，可實現細胞的高通量篩選、單細胞陣列的制備及培養、以及三維細胞培養等。
圖2 液滴微陣列在細胞方面的應用。A，細胞高通量篩選；B，單細胞分離；C，三維細胞培養。
3 水凝膠陣列化制備及應用
水凝膠是一種以水為分散介質的網狀交聯聚合物，可以為細胞生長提供適宜的微環境。與在二維平面細胞培養相比，水凝膠更能模擬體內細胞生長的真實環境。利用液滴微陣列，可以實現微型化水凝膠基質的高通量陣列化制備，從而可用于細胞培養及復雜微環境的篩選。水凝膠的尺寸取決于親水點的大小，并且可形成自支撐微團，比塑料孔板更加靈活及實用。
圖3 基于液滴微陣列的水凝膠陣列用于細胞培養
4 納米粒子自組裝
由于納米粒子具有獨特的尺寸依賴效應，制備具有特定維度的納米粒子陣列對于基礎研究及工業生產都具有十分重要的意義。目前來說，復雜形貌的大面積二維粒子圖案化制備仍是極大的挑戰。結合液滴微陣列技術，利用納米粒子分散液在圖案化浸潤性基底表面的不連續去浸潤過程可以制備分散液的微陣列。待溶劑蒸發完成后，可實現大面積、形貌規則可控的納米粒子組裝體制備。
展開 加州大學高通量3D生物打印機加快藥物開發過程
2021年6月11日，南極熊獲悉，加州大學圣地亞哥分校的納米工程師們開發了一種高通量的生物打印技術，能夠以極快的速度進行3D打印。它可以在30分鐘內制作出96孔的活體組織樣本陣列。研究人員表示，這款快速、大批量生產定制生物組織的3D打印機可以加速臨床前藥物篩選和高通量疾病建模，從而使藥物開發更迅捷、更省錢。
△高通量3D生物打印
一家制藥公司開發一種新藥的過程可能需要長達15年，成本高達26億美元。它通常從在試管中篩選數以萬計的候選藥物開始。成功的候選者將接受動物試驗，任何通過這一階段的候選者將進入臨床試驗。如果幸運的話，這些候選藥物中的一個將作為FDA批準的藥物進入市場。
加州大學圣地亞哥分校開發的高通量3D生物打印技術可以加速這一過程的第一步。這將使藥物開發商能夠迅速積累大量的人體組織，他們可以在這些組織上更快地測試和排除候選藥物。
加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院的納米工程教授Shaochen Chen說："通過研究人體組織，你可以獲得更好的數據，真正的人體數據，了解藥物將如何發揮作用。我們的技術能夠以高通量能力、高重現性和高精確度創建這些組織。這確實可以幫助制藥業迅速確定最有前途的藥物，并以它們為目標。"這項工作發表在《Biofabrication》雜志上。
研究人員指出，雖然他們的技術可能也需要經歷動物試驗過程，但它可以將該階段的失敗率降到最低。
此外，Chen實驗室的博士后研究員、該研究的共同第一作者尤尚亭指出："我們在這里開發的是復雜的3D細胞培養系統，它將更緊密地模仿真實的人體組織，并可望提高藥物開發的成功率"。
展開 哈佛大學鎖志剛教授、西安交大盧同慶教授、斯坦福大學Blanchet教授《Matter》: 高通量實驗設計用于預測材料小概率斷裂
一個可能的解決方案是進行高通量實驗。高通量實驗已較為廣泛的應用于化學、熱、電和生物性能的測量，但目前很少用于材料力學性能的測量。因此，西安交通大學盧同慶教授與哈佛大學鎖志剛教授、斯坦福大學Jose Blanchet教授合作，共同開發了一種用于預測材料小概率斷裂的高通量實驗。在設計的高通量實驗中，研究者在相同環境下打印制備了1000個試樣，將他們拉伸到相同的拉伸比，通過處理實驗錄像自動識別每個試樣的斷裂。高通量實驗產生的大量斷裂數據使得運用數學中的極值概率理論分析成為可能。
1. 高通量實驗設計及圖像處理識別斷裂
他們開發了一個高通量實驗來研究小概率材料斷裂與疲勞(圖1)。他們在相同的條件下打印了1000個啞鈴型試樣。設計了一種單自由度的運動機構，使所有的試樣在同一時間發生相同的變形。對于數量如此之多的試樣，用人眼來識別單個試樣的斷裂是不現實的。他們記錄了每次實驗的視頻，并編寫了處理視頻的軟件，以識別每個試樣的斷裂。
實驗裝置包括一個運動機構、一個帶控制盒的電動位移臺、一個攝像機和一臺計算機(圖1b)。運動機構由連接六塊鋁板的菱形支架組成。通過氰基丙烯酸酯膠水，每塊鋁板與一個打印的矩形連接部分粘接。運動機構的兩端固定在電動位移臺的兩個剛性夾具上，由控制箱提供動力并進行控制。連桿與鋁板通過螺釘、螺母、軸承連接。拉伸時，試樣沿拉伸方向伸長，鋁板沿拉伸方向進行剛體平移，連桿繞鉸鏈轉動。該運動機構與兩個單自由度的夾具一起運動，同時將所有1000個試樣拉伸至同一拉伸比。
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