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。     

基于Ansys软件分析环状激光束作用物质的热畸变特性

运用Ansys有限元分析软件模拟了环状激光束辐照Zn S、Ti O2及Si等材料表面而形成的温度场及应力场分布,并分别研究了同一热源对不同材料及不同热源对同一材料的作用效果.研究结果表明,当同一热源作用在不同材料上时,产生的温度场变化较大,而应力场的变化不大,只是形变的整体幅值产生变化;当不同热源作用在同一材料上时,温度曲线的梯度变化较大,而对应力形变的影响较小.     

新海27块水平井套损防控研究

基于新海27块注蒸汽开采水平井受力状况,根据热力学、渗流力学、固体力学相关理论建立热一流一固耦合方程,计算、分析、研究水平井蒸汽吞吐过程中井眼附近渗流场、应力场和温度场动态变化规律,分析套管温度、地质构造等因素对套管应力的影响,得出热采水平井的套损防控建议。     

螺旋槽密封环在热-流-固耦合下的变形研究

以螺旋槽干气密封的动静环和密封气膜组成的系统为研究对象,在Solidworks中建立密封环三维耦合模型,Fluent中计算获得流场动压微气膜分布,将得到的微气膜数据载入Workbench平台的结构场和温度场,设置相应的刚性约束和边界条件,基于热-流-固耦合变形理论来分析密封环在热-流-固耦合下的应力、变形情况,研究不同压差下应力、变形的遵循规律。结果表明：动静环的应力在密封环外径处较大,热-流-固耦合下变形最大区域在中径处。随着压差的增大,密封环的应力、变形均增大,在一定压差范围内动环的应力大于静环,而静环的变形大于动环。     

先锋氢引燃煤油的超燃燃烧室火焰稳定性研究（英文）

目的:1.在模拟飞行马赫数4.0条件下,通过直连实验研究先锋氢当量比对煤油燃料冲压发动机点火及稳焰的影响;2.通过多种非接触光学测量手段研究超燃冲压发动机内燃烧流场的结构变化和火焰建立等动态过程。创新点:1.通过直连实验发现,适量提高先锋氢当量比有利于发动机点火,且先锋氢的存在是发动机稳燃的前提;2.得到了超燃发动机点火及燃烧不稳定特征的流场。方法:1.通过直连实验,得到监测点压力动态变化数据并对其进行分析(图4和5);2.通过光学测量手段,观测流场及火焰动态变化过程(图6～12)。结论:1.当先锋氢当量比为0.080时,煤油燃料超燃冲压发动机成功点火;当先锋氢当量比为0.040时,点火失败;当先锋氢关闭后,超燃冲压发动机熄火。2.煤油火焰主要集中于凹槽后缘斜坡且结构是非对称的;燃烧是不稳定的且伴随着反复的前后移动。     

基于COMSOL Multiphysics天然气水合物沉积物热-水-力-化多场耦合模型研究（英文）

目的:水合物沉积物开采过程是一个热-水-力-化多场耦合过程,该过程包含了不同土层间的热对流、压缩引起的局部变形以及胶结结构破坏引起的应力松弛。不适当的开采会引起出砂、塌孔等破坏问题。本文旨在建立天然气水合物沉积物多场耦合计算模型,以量化由开采引起的地质灾害风险。创新点:1.通过COMSOL Multiphysics实现水合物开采过程多场耦合有限元控制方程的计算;2.建立的模型考虑变形-渗流双向全耦合过程。方法:1.通过理论推导,给出开采天然气水合物过程模拟的控制方程;采用偏微分方程模块实现除力学之外其他物理场的耦合计算;采用结构力学模块实现变形计算。2.通过与试验数据进行比较验证模型的可靠性。3.通过对比全耦合模型与半耦合模型,分析双向耦合对水合物开采过程中沉积物物理力学行为的影响。结论:1.所建立模型能够精确模拟水合物开采过程中沉积物的物理力学行为。2.当考虑压缩对渗流的影响时,由于孔隙率的降低,计算得到的水合物分解速度要小于不考虑该影响时的速度。3.由于存在层间对流效应,非均质模型计算得到的水合物分解速度要快于均质模型。     

高功率激光器输出窗口热分布数值模拟

利用格林函数，从一般的热传导方程出发，得到了高功率激光器输出窗口的温度场分布；针对高功率激光器中常见的环形分布激光束，计算并分析了化学氧碘激光器目前比较流行的几种光学材料蓝宝石(Al2O3)、石英玻璃(SiO2)、单晶硅(Si)组成的输出窗口镜的温度场分布。计算结果表明，在激光辐照的5s时间内，温升场主要集中在激光束辐照的环形区域内，在整个镜面上远未拉平。材料对激光的吸收系数及其热导率是决定温升最主要的物理参数。     

少量管冻结稳态温度场数学模型（英文）

目的:少量任意布置冻结管冻结的稳态温度场无解析解。建立任意布置少量管冻结稳态温度场模型,获得解析解,解决人工冻结温度场理论问题。创新点:1.基于势函数叠加原理,确立人工地层冻结中少量管冻结稳态温度场的通用求解方法;2.建立任意布置的3根和4根非等温冻结管下冻结稳态温度场数学模型,获得其解析解通解及特解。方法:1.通过理论分析,将冻结管简化为热汇点源,确定人工地层冻结热势的拉普拉斯方程表述;2.应用势函数叠加原理建立少量管冻结稳态温度场的通用求解方法;3.建立少量管冻结稳态温度场的数学模型,通过理论推导获得温度场解析解;4.通过数值模拟,验证所提方法、数学模型和解析解的正确性和准确性。结论:1.将冻结管简化为点源(热汇),其冻结形成的热势场服从拉普拉斯方程,其解即为热势函数;2.多根冻结管冻结时,将单根冻结管的热势函数叠加,由冻结管的位置决定每根冻结管的热流,再根据边界条件定解。这一方法(即势函数叠加法)可以用于任意布置冻结管冻结稳态温度场解析解的求解;3.将冻结管简化为点源导致获得的解析解存在一定的误差,但误差仅发生在冻结管附近极小的范围内,并且误差微小,完全满足工程上的精度要求。     

考虑气蚀的液力缓速器湍流流动尺度解析模拟（英文）

目的:液力缓速器高速运行时会产生气蚀侵蚀现象,进而对缓速器的缓速制动及平稳运行产生不利影响。本文旨在对液力缓速器的气蚀湍流场进行分析,探究气蚀侵蚀发生的原因,为进一步探究减轻气蚀侵蚀的措施提供理论基础。创新点:1.引入目前先进的尺度解析模拟方法来模拟湍流场,使湍流场数值计算结果更加真实;2.采用气液两相流模型和气蚀模型相结合的方法模拟气蚀现象,并通过流场中的气泡体积来衡量气蚀侵蚀程度。方法:1.采用不同的湍流模型解析液力缓速器四种转速下的湍流场,并通过比较流场结果得出不同湍流模型模拟流场的区别(图3～5和7);2.采用应力混合涡(SBES)模型模拟高转速下的气蚀流场,并提取流场处理结果来分析缓速器内部气泡体积的瞬态演变规律(图8和9);3.提取不同时刻的叶片温度来分析气蚀引起的能量变化(图12和13)。结论:1.在四大湍流模型中,SBES模型模拟湍流场涡旋的能力最强且提取出的制动转矩结果与实验值最接近;2.高转速下的气蚀侵蚀情况严重,流场中出现的气泡体积较大,并且,随着时间推移气泡体积累积对缓速器运行将产生不利影响。3.气蚀流场中出现的气泡会影响缓速器湍流场中的涡旋,并且影响缓速器的叶片温度变化。     

板材热轧过程速度场与温度场的耦合数值解法

板材在国民经济各部门都有着广泛的用途.板材轧制是一个非常复杂的金属变形过程,主要体现在轧件变形区域的速度场与温度场之间的相互作用.为达到模拟轧制变形区真实速度场与温度场的目的,文章探讨了板材轧制过程速度场与温度场的二维耦合数值求解.做了如下工作:(1)分列咬入单元,实现耦合,并编程计算;(2)分析轧制变形区的温度场;(3)分析轧制力.     

燃烧加热污染空气对超燃冲压发动机性能影响研究

针对燃烧加热地面试验设备存在的工质污染问题,采用数值模拟方法研究了燃烧加热污染空气对氢燃料超燃冲压发动机性能的影响。以飞行马赫数Ma=6.5,当量油气比ER=0.6为计算基准状态,分别对纯净空气和污染空气来流下氢燃料超燃冲压发动机的整机流场和性能进行了对比计算分析。燃烧化学反应模拟采用了改进的H₂/O₂七组分八方程模型,湍流模型为标准的 k-ε模型,并采用直连式燃烧室试验数据进行了数值方法的验证。研究结果表明:(1)相对于纯净空气来流,污染空气来流下的超燃冲压发动机推力和比冲均有所下降。(2)采用酒精燃烧加热器的前提下,来流参数匹配静温、静压、马赫数时,发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而匹配总温、总压、马赫数时相差最大。(3)来流参数匹配总焓、静压、马赫数的前提下,采用氢燃烧加热器时发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而采用甲烷燃烧加热器时相差最大。      

QFP结构中引脚焊缝界面端的奇异性热应力问题研究

由于引脚、印制电路板和焊接剂的热-机材料属性不同,在受到热载荷或机械载荷时,引脚焊接界面端会产生奇异性应力,有可能产生界面开裂。为了基于界面端奇异场来评价QFP结构引脚界面端力学行为,采用数值方法求解引脚焊缝任意角度尖劈界面端的应力强度系数。具体步骤为:首先,基于高次内插有限元特征分析法确定两相任意角度尖劈界面端的奇异性指数和应力角分布函数,并引入常数热应力项,获得热-机耦合奇异性应力场表达式;采用有限元分析技术和最小二乘拟合法来获得应力强度系数的数值解。考察了热-机材料属性对热载荷下焊接剂/印制电路板界面端应力强度系数的影响。结果表明:弹性模量、泊松比和材料热膨胀系数等均对应力强度系数有影响,适当的做出调整可以使界面端呈现良好的热应力状态。     

船用螺旋桨流动尺度解析模拟与粒子图像测速验证（英文）

目的:船用螺旋桨性能评估中常用的雷诺平均方法(RANS)存在许多难题,特别是在处理边界层发展、尺度效应、翼尖和轮毂涡等复杂流动现象时。本文使用动态大涡模拟(DLES)、延迟分离涡模拟(DDES)和应力混合涡模拟(SBES)三种尺度解析模拟(SRS)方法,以提高流动特性预测的准确性。创新点:1.通过SRS方法详细地描述螺旋桨流场的不规则和多尺度湍流结构;2.通过粒子图像测速(PIV)试验,分析缩比螺旋桨的真实流场。方法:1.考虑叶片的周期分布和计算消耗,提取1/5的螺旋桨计算区域,并采用局部网格细化方法,获得分辨率足够高的网格模型(图1);通过仿真结果与已有试验数据的对比,验证SRS方法在螺旋桨性能预测方面的可行性与有效性(图3)。2.通过搭建PIV试验装置(图4),得到缩比螺旋桨在特定横截面上的速度和涡量分布情况下的尾流演变(图9和10),从而分析SRS方法对流场结构的捕捉能力。结论:1.通过定量和定性分析发现,SRS方法在预测特征参数和捕捉流场信息方面表现良好,特别是值得重点关注的SBES模型;2.作为一种可视化流场分析工具,PIV测量方法可以为螺旋桨等旋转机械的设计和性能改进提供一定的参考依据。     

深埋圆形富水隧道应力与位移的弹塑性解（英文）

研究目的:推导获得深埋圆形富水隧道应力场与位移场分布的弹塑性解析解。创新要点:基于弹性力学厚壁圆筒受均布压力的拉姆解答和Mohr-Coulomb屈服条件,推导了考虑渗流作用和应力释放时含衬砌深埋隧道的弹塑性解,并采用FLAC3D有限差分程序验证了其正确性。研究方法:通过理论分析建立考虑渗流作用和应力释放的含衬砌深埋圆形隧道的解析模型(图1),然后推导了基于Mohr-Coulomb屈服准则的隧道围岩与衬砌渗流场、位移场和应力场计算的弹塑性解析公式,并通过数值模拟程序(图2)验证了推导公式的正确性。重要结论:基于前人研究基础,推导获得了深埋富水隧道应力与位移场分布的理论解析解,并通过数值模拟方法验证了其正确性。该解析解一方面可以用于深埋高水头隧道的预设计,如预测隧道周围的水压力、应力场和位移场分布规律,另一方面可用于校核大型复杂数值模型的正确性。     

适用于吸气式高速飞行器的蚌式进气道堵盖气动设计及数值模拟研究（英文）

目的:吸气式高速飞行器在助推阶段需要对进气道采取保护措施,而应用传统的圆锥体载荷式整流罩存在体积大、质量重等缺陷。为避免载荷罩的空间雍余,基于激波干扰理论,本文旨在提出一种通用型可实现气动自分离的整流罩设计方法,并探讨设计的两组构型在两个弹道特殊状态点的气动力和气动热特性,以及研究构型的适用性和基本气动性能。创新点:1.通过激波干扰理论模型方程,推导出环境变量与构型基本尺寸之间的关系;2.建立气动设计模型,成功求得助推阶段和整流罩分离状态点的气动特性;3.新构型减轻了整流罩系统重量,实现了自分离,简化了机械结构系统。方法:1.通过理论推导,得到飞行器头锥长度和进气口尺寸变化对整流罩构型设计的影响;2.通过数值计算,得到异形整流罩及头锥附近流场分布受设计型面的影响以及产生的适应性气动力。结论:1.整流罩在分离状态可产生负升力,有自动打开的趋势;2.减小整流罩的设计长度有利于气动减阻和降低峰值热流;3.整流罩前缘的极限热流约为13 MW/m~2,在所选复合材料的受热范围内。     

超塑性Y-TZP基陶瓷之有限元分析（英文）

目的:通过调整非常精细的颗粒,四方晶氧化锆多晶(TZP)在室温下保持稳态四方相,并且具有优异的塑性。然而,当材料变形时,我们必须对超塑性陶瓷在机械应力分布和断裂机制方面有更多的理解。创新点:1.通过材料弹塑性模型;2.使用胡克定律、塑性应变硬化及von Mises降伏准则;3.结合等向性硬化规则及相关联的流动规则。方法:1.开发一个高温超塑性材料在不同应变率拉伸条件下具备不同应力-应变关系的组成律模型及有限元分析模型;2.通过有限元法仿真模拟与实验结果比对;3.验证所提方法的可行性和精确性。结论:1.有限元仿真模拟的应力-应变关系与实验数据吻合较好,对于所研究的四种组合物,最大应力和应变的误差均小于1%。2.有限元仿真模拟的最终变形形状(宽度和厚度)与拉伸试验的结果一致;这些验证证实了所提有限元分析模型的可靠性。     

电动汽车轮毂电机温度场计算研究综述

电动汽车轮毂电机结构封闭,散热性差,运行过程中温升较大,对其稳定性、可靠性影响较大。为提高对温度预测的求解精度,提升电机性能,温度场的建模求解方法不断发展。总结了电机内部各类损耗计算方法最新进展,分析了温度场计算的两种建模方法：有限元法（FE）和集总参数热网络法（LPTN）及其应用。针对电机内存在的复杂多物理场问题,多场耦合方法在温度场的建模和求解中逐步得到发展应用,呈现从单向到多向,从以电磁、热为主的两场耦合向电磁、热、流、固等多场耦合发展,温度场的求解精度和速度得到提高。     

环境温度对某深基坑围护结构内力与变形影响分析

从热传导的基本方程出发,介绍结构瞬态温度场和应力场有限元一般格式.编制东京新丰州变电所围护结构二维温度场有限元分析程序,采用ANSYS工程分析软件,计算该围护结构在环境温度变化过程中引起的温度场、温度应力及温度变形,同时计算了在开挖土压力作用下该围护结构的内力与变形,将两种变形与实测变形值进行比较.结果显示,环境温度变化对类似工程围护结构的内力与变形有不可忽视的影响,必须加以计算.     

灯泵Cr,Nd:GSGG晶体热效应的有限元研究

为了减少LD抽运全固态激光器输出高功率而产生激光晶体热效应的影响。采用ANSYS有限元分析软件分析晶体的热导率随温度的非线性变化,得到了闪光灯泵浦的Cr,Nd:GSGG晶体的内部温度场,热应力场分布。模拟出提高冷却水与晶体的传热系数,降低冷却水的温度,端面修磨后晶体的温度场分布,应力分布以及形变等。仿真结果表明,提高冷却水与晶体的传热系数,降低冷却水的温度可以有效降低晶体棒内的温度,而端面的适当修磨对于热透镜效应的改善起到一定作用。     

双材料Ⅱ型中心穿透界面裂纹奇异性研究

通过构造含有复奇异指数的新应力函数,利用复合材料断裂复变方法对正交异性双材料界面裂纹应力奇异性进行了研究.通过求解一类偏微分方程组的边值问题,推出了正交异性双材料界面裂纹尖端应力具有λ=-1/2的常数奇异性,λ=-1/2+ε的非常数奇异性,λ=-1/2+iε的常数振荡奇异性和λ=-1/2+c+iε的非常数振荡奇异性,并建立了四种奇异性下正交异性双材料Ⅱ型中心穿透界面裂纹尖端的应力强度因子的计算公式以及应力场和位移场的解析解.