涂层对空化流动特性影响的实验研究

利用实验的方法研究了涂层对绕水翼空化流动特性的影响。分别针对喷涂环氧涂层和氟碳涂层的ClarkY型水翼,采用高速摄像装置观察了不同空化阶段的空化流动形态。研究结果表明:(1)在初生空化阶段,当σ=1.82时,沿环氧涂层水翼表面展向排列着初生空泡,而氟碳涂层水翼还处于无空化状态,说明相对于环氧涂层,氟碳涂层对空化现象的产生有一定的抑制作用,氟碳涂层水翼初生空化数为1.50;(2)在片状附着型阶段,当σ小于1.63时,绕环氧涂层水翼的空化先于氟碳涂层水翼发展至片状空化,绕水翼空化流动产生大量分散空泡,沿水翼表面向后运动过程中逐渐长大,在高压区溃灭后形成小空泡并以马蹄涡形式继续运动。同一空化数下,绕环氧涂层水翼空化流动的空泡长度大于氟碳涂层水翼。但随空化数降低,两者空泡长度逐渐接近,说明环氧涂层在片状空化阶段对空化的抑制作用逐渐增强;(3)σ=0.87时空化发展至云状空化阶段,空化流动伴随周期性的云状空泡的脱落,绕环氧涂层水翼的空化流动周期及无量纲空化面积均小于氟碳涂层水翼,说明涂层对空化的非定常变化也有一定的抑制作用,且环氧涂层强于氟碳涂层。     

基于空化喷射技术的水下机器人射流清洗仿真与实验（英文）

目的:污染物质的存在会引起海底环境中的许多经济和生态问题。本文以遥控无人潜水器(ROV)为基础承载平台,实现基于空化喷射清洗技术的水下结构表面附着物清洗。创新点:将空化射流清洗技术与ROV结合,并利用空化泡在清洗表面区域溃灭产生的微射流冲击,以达到清理水下表面附着物和污垢层的目的。方法:1.通过计算流体动力学(CFD)仿真与实验,针对ROV水下喷射模型,在不同状态和不同参数下对水下射流的规律进行测试与比较。2.实验对比验证在不同喷射距离下所设计的空化射流清洗装置清理海底生物的能力。结论:1.当入口压力P=30 MPa,孔径d=2 mm,出口长度L=16 mm和出口直径D=16 mm时,水下喷嘴具有更高的清洁度和清洁效率,可以满足清洁要求。2. ROV喷嘴离水下泥浆越远,冲刷深度越浅。3.所设计的ROV空化喷射清洁装置与目标的距离越近,清洗强度越高;然而,当压力恒定且距离太近时,过度阻力会削弱冲洗强度。     

非稳态冲击射流传热特性数值研究

针对冲击射流传热问题,传统的2方程k-ε湍流模型难以准确预测,采用了3方程k-ε-f_μ湍流模型进行射流传热数值模拟。首先,通过将传热的数值计算结果与文献实验数据结果作对比,验证了所建立的数值模型在预测努塞尔数分布及其二次峰值位置的准确性。在此基础上,又研究了低温欠膨胀音速冲击射流流场冲击壁面的传热特性,得出：不同压比工况下,二次峰值的位置随着压比的增大向壁面射流流动方向移动;不同冲击距离工况下,当冲击距离在一定范围内,压比的增大对努塞尔数影响不大,仅使二次峰值的位置发生改变。     

Al2O3粒子在镁合金空化强化中的作用效果

通过空化泡溃灭产生的微射流促使Al2O3纳米粒子对镁合金进行冲击强化.采用显微硬度仪、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对强化后的样品硬度、表面形貌、元素含量与化学态等参数进行分析.结果表明,强化5 min后,通过SEM发现在样品表面出现纳米级颗粒,结合XPS测试、发现样品中Al2 O3含量明显增多,表明A...     

针栓式喷注器单元液/液撞击的一次破碎形态的仿真研究（英文）

目的:针对液/液针栓式喷注器单元,研究其在不同径向射流喷注速度下的一次破碎形态,并阐明在一次破碎下喷雾半锥角的形成、压力场分布、喷雾粒径分布与速度场分布。创新点:通过流体体积函数转换离散相(VOF-to-DPM)模型,结合网格自适应(AMR)技术还原了针栓式喷注器单元液/液撞击的一次破碎形态。方法:1.通过VOF-to-DPM模型完成一次破碎过程中对液相的捕捉;2.采用计算流体动力学后处理(CFD-post)模块进行后处理,得到一次破碎下喷雾半锥角的形成以及压力场、喷雾粒径与速度场的分布云图;3.在仿真计算过程中使用AMR技术减少计算量,节约时间成本与计算资源。结论:1.速度大的径向射流在穿透轴向液膜后会形成一个蘑菇状的头部;扰动在蘑菇状顶端下方形成涡,有助于蘑菇状顶端边缘破碎的发生。2.气动力和表面张力对轴向液膜破碎过程中产生的直液丝和环状液丝的破碎起到重要作用;由于液滴的聚合现象,轴向液膜的直径在破碎过程中并不是单调递减的。3.喷雾半锥角的大小和径向射流速度的大小成正比;一次破碎首先发生在轴向液膜前沿、径向射流头部以及撞击点附近。4.在表面张力的作用下,轴向液膜内边缘的速度较小,直径较大;当径向射流的速度增大时,轴向液膜内边缘的速度值减小得更加明显。     

壁面凹腔诱导的超声速混合增强机制研究（英文）

目的:探索壁面凹腔诱导下的超声速混合增强机理,期望得到混合性能较好的燃料喷注策略。方法:提出两种壁面凹腔与横向射流的组合方式,采用数值模拟方法对其流场进行研究,并与纯横向射流流场细节进行对比。结论:1.由于凹腔上面剪切层与壁面横向射流的强烈交互作用,使得横向射流流场中产生的涡系结构被打破;相应地,当把凹腔置于喷孔上游时,亚声速区域面积更大;2.当把凹腔置于喷孔上游时,燃料的渗透深度更大,这样有利于超声速气流中燃料与空气的混合;3.新构型I的混合效率最高。凹腔上面剪切层与壁面横向射流之间的强烈交互作用对超声速气流中燃料的混合增强影响很大,这是超燃冲压发动机燃烧室构型优化的基石。     

喷孔上游涡流发生器诱导下的横向射流流动特性研究（英文）

目的:通过在喷孔上游安装涡流发生器(VG)来研究超声速横向射流(JISC)的流动特性。采用纳米粒子平面激光散射(NPLS)和空间粒子图像测速(SPIV)技术对流场进行观测,并设计三种工况进行对比实验,以研究横向射流的流动特性。创新点:1.采用NPLS和SPIV为实验观测手段,定量化地研究涡流发生器对超声速来流的穿透深度和横向扩散的影响;2.根据实验观测结果展示涡流发生器与横向射流相互作用的流场特性,揭示涡流发生器的混合增强机理。方法:1.采用NPLS流场进行观测,获得瞬态流场灰度图(图6、7和10～12),并分析不同观测平面的瞬态流场结构;2.基于瞬态流场灰度图,通过边缘检测和统计分析方法,提取射流穿透深度和横向扩散边界(图14),并对涡流发生器的混合增强效果进行分析;3.采用SPIV技术对流场进行观测,获得多个观测截面的平均速度场,并根据速度场计算涡量场(图8、11和15),揭示射流流向涡的涡量分布。结论:1.在设计的三个实验工况中,CASE0是横向射流基本工况;与CASE0相比,CASE1中的VG在喷孔附近的羽流两侧产生了两个诱导涡,在形态上形成了一个耳朵形涡结构;CASE2中VG尾流的间歇性大尺度涡对射流迎风侧的诱导涡起主导作用,产生了一个大尺度流向涡。2.与CASE0相比,CASE1中射流的穿透深度和横向扩散边界分别增加了8.5%和17.0%,而CASE2中的穿透深度和横向扩散边界分别增加了26.2%和0.5%;因此,在CASE2中,穿透深度的增加更显著,而横向扩散没有明显改善,这与相互作用模式的涡结构特性有关。3.涡量分布表明,CASE1中存在一个复杂流向涡系统,且VG的尾流在射流反转旋涡对(CVP)的内侧形成了一对诱导涡,而在CASE0中,诱导涡应该在CVP的下方。4.根据多个yoz截面的涡量场分布可以发现,VG促进了射流肾形涡的形成和发展。     

等离子体合成射流扰动在超声速流场中不同位置的截面特性以及涡结构演化（英文）

目的:燃料和氧化剂的快速掺混是发展超燃冲压发动机的关键技术。本文使用等离子体合成射流对超声速混合层进行增强混合,采用实验的方法获得等离子体合成射流扰动后超声速混合层的精细结构,并研究在超声速混合层中等离子体合成射流增强混合的特性。创新点:1.使用纳米平面激光散射技术(NPLS)获取在超声速混合层中由等离子体合成射流诱导的大尺度涡结构;2.分析由等离子体合成射流诱导的大尺度涡结构的演化过程。方法:1.使用信号源发生器实现纳米平面激光散射/粒子图像测速(NPLS/PIV)和脉冲电源的时序控制,从而实现NPLS对等离子体合成射流诱导的大尺度涡结构的捕捉,以及得到PIV获取流场的速度分布;2.获得不同位置截面和不同延时时刻的流场精细结构,并分析等离子体合成射流增强混合的特性;3.对NPLS结果提取湍流边界,计算湍流的混合层的厚度和分形维数。结论:1.等离子体合成射流可以对超声速混合层产生较大的扰动,展向方向扰动范围超过8D;2.等离子体合成射流可以增加混合层的厚度;3.等离子体合成射流的扰动无法进一步提高充分发展的超声速混合层的分形维数。     

超声速台阶壁面燃烧室中射流抬举火焰的稳定机制（英文）

目的:深入理解超声速条件下火焰稳定机制,为超燃冲压发动机燃烧室的优化提供理论基础。创新点:1.通过大涡模拟准确地再现Burrows-Kurkov实验中台阶壁面射流燃烧室的反应流场;2.揭示射流火焰稳定抬举的机制;3.总结射流总温对火焰抬举特性的影响。方法:1.采用大涡模拟,获得了瞬时和时均的反应流场参数;2.通过计算燃烧学的数据分析,提取湍流火焰特性。结论:1.自点火过程维持了混合层中抬举火焰的稳定,并进一步在下游形成充分发展的湍流扩散火焰;2.升高射流总温会使火焰抬举高度降低,而过高的射流总温会抑制火焰温度的升高。     

一道例题错解的分析

[题目]一股射流以10m/s的速度从喷嘴竖直向上喷出,喷嘴截面积为0.5cm~2.有一质量为0.32kg的球,因水对其下侧的冲击而悬在空中.若水冲击球后速度为零,则小球悬在高喷嘴多高处?(g=10m/s~2).原解:设在△t时间内有质量为△m的水与球发生相互作用,相互作用力大小为F.那么,对球有F=Mg,对△m的水应用动量定理,有F△t=△mv.这里v为水对球下侧冲击前的速度,又△m=ρSv△t,从而v=(Mg/ρS)~(1/2).根据v_0~2-v~2=2gh,可得小球停处离喷嘴的高度h=(v_0~2)/(2g)-M/(2ρS)=1.8(m).(见本刊编辑部编《高三物理教学研究》1997年版第13页例4)     

低含液输气管道内液滴时空分布特性的数值研究

基于Euler-Eulerian两相流模型,采用CFD软件对低含液输气管道内不同粒径分布的液滴群空间分布以及随时间的变化规律进行了研究。利用边界层网格与增强壁面函数得到了近壁面处边界层内的速度分布:水平管内液滴群主要集中在管路底部区域;弯头内二次流促使液滴群向弯头外侧运动;上弯头后的竖直管内二次流依然存在,液滴群主要集中在迎流侧;液滴群的波动随着时间具有周期性。     

阀芯形状对套筒式调节阀内空化流动的影响研究（英文）

目的:套筒式调节阀内空化的发生不仅会增加整个管路系统的能量损耗,而且会造成阀体及管路的失效破坏。本文旨在探讨四种不同形状的阀芯对套筒式调节阀内不同阀芯位移工况下的空化流动及空化强度的影响,为套筒式调节阀的优化设计及空化控制提出建议。创新点:1.根据四种不同形状的阀芯,研究套筒式调节阀内阀芯形状对流动及空化特性的影响;2.建立数值模型,对套筒式调节阀在不同阀芯形状和不同阀芯位移条件下进行流动及空化分析。方法:1.建立带有不同形状阀芯的套筒式调节阀数值计算模型,并比较分析阀芯形状对阀内速度、压力及空化情况的影响(图4,8和11);2.建立不同阀芯位移条件下的阀门数值模型,比较分析阀芯位移对阀内速度、压力及空化情况的影响(图6和10);3.建立不同形状阀芯及不同阀芯位移下的阀门模型,分析阀芯形状和位移对阀内流动及空化特性的综合影响(图7和13)。结论:1.在四种不同形状阀芯的条件下,高速流动区域和空化发生区主要位于套筒与阀芯之间的间隙;2.在直筒形和椭球形阀芯条件下的阀内空化强度明显强于平底形和圆台形阀芯条件下的空化强度,因此平底形和圆台形阀芯在空化控制方面具有更好的效果;3.在四种不同形状阀芯的条件下,随着阀芯位移的增加,阀内由空化产生的蒸汽总体积先增加后减少。     

高超声速飞行器逆向射流与层板发汗组合热防护的攻角特性分析（英文）

目的:采用层板发汗技术改善高超声速飞行器在攻角飞行时迎风面逆向射流的热防护性能。创新点:1.提出逆向射流与层板发汗组合热防护方案用于高超声速飞行器的热防护;2.采用层板发汗技术改进高超声速飞行器在大攻角飞行时热防护失效的不足。方法:1.设计逆向射流与层板发汗组合热防护钝头体模型(图1);2.通过数值计算方法对比逆向射流与层板发汗组合热防护在不同攻角飞行时的流场结构和激波特性(图6～8);3.通过数值计算方法获得逆向射流与层板发汗的组合热防护特性(图9～12)。结论:1.在攻角飞行时,来流与射流方向发生偏离,且迎风面的再压缩激波增强;2.随着攻角的增加,迎风面受热加剧,且当攻角增加到一定程度时,逆向射流热防护失效;3.采用组合热防护系统时,发汗流的引入可以改善再附区近壁面区域的热环境,从而减少壁面的热流。     

液滴碰撞水平壁面实验研究

采用高速摄像仪结合像素分析法观测了液滴碰撞水平干壁面铺展、收缩、飞溅等动力学形态变化,并定量获得了液滴铺展系数和铺展速度随无量纲时间的变化规律。实验结果表明:液滴的铺展系数和铺展速度与碰撞速度和液滴初始直径密切相关,碰撞速度越大,液滴的铺展系数和铺展速度越大,铺展速度在撞壁初始阶段变化明显,随时间逐渐趋于稳定;液滴初始直径越大,铺展系数越大,其临界飞溅速度越小。无量纲分析得出:液滴的最大铺展系数与雷诺数密切相关,液滴达到最大铺展系数所需无量时间与韦伯数不相关。     

引射对航空发动机MILD燃烧稳定性的影响

为了研究空气引射对航空发动机MILD燃烧稳定性和燃烧特性的影响,用安装在空气扩压器壁面上的引射环缝开关,控制空气喷嘴的引射状态,数值计算并对比分析其对MILD燃烧方式和燃烧性能的影响。结果表明,无空气引射时,燃烧火焰较长,波动较大;加入适量引射空气,火焰缩短,稳定性提高并向喷嘴位置靠近。空气引射能一定程度上抑制高速空气射流带来的燃烧不稳定问题,为航空发动机应用MILD燃烧技术提供参考。     

关于变点模型的线性假设检验

本文对至多一个变点模型 X(i/n)=f(i/n)+(ε(i/n),其中,f(t)=α_1+b_1(t-t),α_2+b_2(t-t),当 t∈[0,t_,),当 t∈(t_,1];0≤t≤1,ε(1/n),….ε(n/n)独立同分布,且ε(1/n)服从正态分布 N(0,σ~2),σ~2是已知的;进行了线性假设检验,并给出了检验功效的估计。     

液固两相流体中颗粒-壁面冲击碰撞壁面效应研究（英文）

目的:颗粒-壁面冲击碰撞是近似混沌运动的液固耦合问题。针对传统建模方法难以描述颗粒-壁面碰撞运动过程所涉及的壁面效应问题,本文旨在提出一种液固耦合建模方法,以揭示流固耦合条件下的颗粒-壁面接触规律,探讨碰撞过程中环境变量(流道结构和流体粘度)对碰撞壁面效应的作用机理;得到在约束及非约束空间流场中,流体粘度与颗粒-壁面碰撞行为的内在联系,为流体光整加工、轮机叶片及反应器内壁面磨损所涉及的流场调控提供技术支持。创新点:1.建立适用于液固两相流的计算流体力学和离散单元法(CFD-DEM)耦合动力学模型;2.通过捕捉颗粒-壁面碰撞点分布,得到不同流道结构及流体粘度下的颗粒-壁面作用范围;3.建立无量纲化材料去除方程,探明非约束及约束空间流场内流体粘度对材料去除分布的影响。方法:1.将颗粒视为理想刚体,对流体运动及颗粒运动分别进行建模,通过求解流体对颗粒的作用力以及网格单元内流体体积分数实现两者之间的交互耦合,进而得到流场内颗粒的运动规律;2.采用软球接触模型描述颗粒-壁面碰撞过程,进而得到不同流道结构及流体粘度下的颗粒-壁面碰撞落点分布;3.计算颗粒-壁面冲击速度及冲击压力,通过无量纲化材料去除方程,得到约束空间及非约束空间内不同流体粘度下的工件表面材料去除分布。结论:1.流道结构及流体粘度会极大影响颗粒-壁面碰撞落点分布;在本文算例中,为获得均匀的工件加工效果,应采用较低粘度流体,并使抛光盘做周期性自转运动。2.随着流体粘度的升高,流体输运颗粒的能力增强,在非约束空间内的颗粒对壁面的碰撞冲击越剧烈,但在约束空间内的碰撞作用力减弱;在本文算例中,为获得更为均匀的材料去除分布,应采用较低粘度流体。3.借助粒子图像测速法得到了壁面处颗粒速度分布,并与模拟结果进行对比,验证了建模方法的有效性。     

无溶剂下NaHSO_4催化环酮和芳香醛的Cross-Aldol缩合

无溶剂下,无水NaHSO4催化环己酮(或环戊酮)和芳香醛的Cross-Aldol缩合,合成了14个相应的α,α'-双亚苄基环酮。探讨了醛酮物质的量比、反应温度和催化剂的量对反应的影响,利用薄板层析(TLC)确定了反应时间。该反应的优化条件为:n(芳醛,4.1 mmol)∶n(环酮)=4.1∶2.0,反应温度60~65℃,催化剂0.5mmol,反应时间2.0~4.0 h,产率可达81%~93%。产物经熔点、红外光谱和核磁共振波谱分析确证。结果表明,该方法具有反应条件温和、操作和后处理简单、产率高、污染少等特点。     

一种计算热喷涂层片冷却速率的简单模型

基于牛顿冷却定律,考虑熔滴速度、温度、直径等撞击参数以及基底温度对喷涂层片冷却速率的影响,提出了一种计算热喷涂合金层片冷却速率的简单模型:T=1.5hC2(Cpxd0)-1v2α((T-Ts)(ρ(T))2α-1(η(T))-2α.以NiCrBSi合金为例,该模型的计算结果表明:层片的冷却速率随熔滴撞击速度增大和熔滴温度升高而增大,随熔滴直径的增大和基底温度的提高而减小,其中熔滴温度对层片冷却速率的影响最显著.     

对弹性模量表达式的建议

研究“材料的饥械性质”有关内容时,在一些常用的材料力学、工程力学等教材中,可以看到这样一个表达式.即E=σ/ε=tgα.式中:E是材料的弹性模量;α是σ-ε图中直线与ε轴间的夹角(如图);σ与ε分别表示直线上某点的应力与应变。