自激振荡喷嘴的设计及其雾化性能实验研究

为了更好地解决呼吸性粉尘问题,根据雾化粒度越小越有利于捕集呼吸性粉尘这一研究经验,研制了自激振荡喷嘴。与常规内混式空气雾化喷嘴不同,该喷嘴设计了自激振荡挡板装置,通过增加雾滴破碎次数来达到进一步加强雾化效果的目的。采用马尔文激光雾粒测试系统,对自激振荡喷嘴的雾化性能进行实验研究,确定自激振荡挡板的最佳匹配方案为在距喷射孔7 mm处安置直径为2 mm的挡板。实验表明:相比常规内混式空气雾化喷嘴,自激振荡喷嘴的有效射程不变,雾化液滴的平均粒径降低了1/3,测得平均粒径DV50为13.85μm,而且雾化液滴粒径的分布更加均匀。     

下保护层开采时上覆煤层裂隙演化规律的研究

以郭庄煤矿为试验矿井,采用钻孔电视和分段注水试验对保护层开采时被保护层裂隙演化规律进行研究,分析采动后上覆煤层裂隙倾角、裂隙数量与钻孔深度的关系、裂隙数量与宽度的关系,并就保护层开采后上覆煤层破坏规律进行数值分析与相似模型试验。研究结果表明:保护层开采后被保护层裂隙随着工作面的推进不断发育,裂隙数量上升,且增加的裂隙以小角度(与垂直方向)、小宽度(小于15 mm)为主;上覆煤层裂隙数量与裂隙宽度随着工作面的不断推进呈波浪型变化。     

风速对煤堆自燃影响的数值模拟

为研究煤堆自燃特征及风速对其的影响,建立温度场、速度场、氧浓度场等多场耦合的煤堆自燃模型,运用COMSOL软件对不同风速下的煤堆自燃过程和指标参数进行数值模拟分析。模拟结果表明:随着风速的增大,煤堆两侧的风压增强,对空气深入提供直接动力;煤堆最易自燃的风速在0.005~1 m/s范围,当风速为0.5 m/s时达到临界温度的最短时间为36 d,随着风速的增大,煤堆达到临界温度的时间延长。据此,建立低风速下的煤堆临界温度与风速的关系公式,可以有效地确定煤堆内部的温度,对防止自燃有积极的作用。     

沿岸流不稳定运动对边缘波影响的实验研究

利用小波变换分析了1:100和1:40平直斜坡不规则波条件下沿岸流不稳定运动对边缘波的影响;沿岸流不稳定运动在垂直岸线方向和沿岸线方向时空变化特性;坡度对沿岸流不稳定运动的影响;沿岸流不稳定运动在实验室内的可重现性.结果表明:边缘波可以和沿岸流不稳定运动同时在垂直岸线方向和沿岸方向存在.在垂直岸线方向边缘波(波动周期20 s)的能量分布比沿岸方向更加明显,并且不会和沿岸流不稳定运动(波动周期100 s)有能量交换.而在沿岸方向,边缘波(波动周期20 s)的能量不再像垂直岸线方向更加周期性的出现,而且还和沿岸流不稳定运动(波动周期100 s)的能量有交换,特别是在均值沿岸流最大值附近.在时均沿岸流最大值附近,沿岸流不稳定运动获得能量的时间最早,而从这个位置向向岸和向海方向则开始逐渐延后;从地形影响角度看,坡度增大使得沿岸流不稳定运动在垂直岸线和沿岸方向的能量增强,并且在沿岸方向增大的程度要大于垂直岸线方向的.通过实验结果分析,相同实验条件下沿岸流不稳定运动有一定的可重现性.     

蒸气在变壁温竖直细圆管内的流动凝结换热特性

针对细小直径圆管的特点, 对经典的Nusselt分析进行修正, 考虑凝结液膜弯曲引起的表面张力以及气液界面蒸气剪切力影响, 建立变壁温条件下竖直细管内流动凝结换热的数学模型, 从理论上探讨小管径下, 沿程管壁温度和重力等作用因素对流动凝结影响程度发生的变化. 实验检验证实分析模型的结果是可靠的.     

墙面及天花板上大壁虎脚趾作用力测试和脚掌形态研究

用3维运动作用力测试系统测量大壁虎在墙面和天花板上稳定运动时的脚趾作用力,分析了脚趾力的变化与壁虎运动的关系;用高速摄像跟踪观察壁虎在稳定运动时脚趾行为,获得壁虎在墙面、天花板上运动时脚掌形态特征;揭示大壁虎在墙面及天花板上稳定粘附的形态学和接触力学规律.结果表明：在墙面和天花板接触表面内脚趾的面力与脚趾的夹角分别为12.6°和3.1°,垂直于接触表面的粘附力足以平衡重力引起的翻转矩或重力;壁虎第1和第5脚趾产生方向相反的力,在接触面内形成冗余结构,提高接触的可靠性和稳定性;墙面与天花板表面运动中脚趾作用力与运动表面的夹角近似相等（约20°）;壁虎在天花板运动时,脚趾作用力明显大于在墙面运动时的脚趾作用力;上述结果可以启发仿壁虎机器人脚掌的控制与设计。     

外电场作用下铁电畴极化反转机制的相场法模拟

采用相场方法模拟了铁电畴的形成及外电场作用下的极化反转,探讨了不同外电场作用下的极化反转机制.结果表明:无外电场作用下,铁电畴的形成是一个形核和长大的过程,系统达到稳定时具有4种铁电畴,其形貌均为平行四边形,其中180°反向畴沿-45°方向规则分布,90°反向畴呈阶梯状规则分布;恒定电场作用下,铁电畴产生90°和180°极化反转,极化方向有利的铁电畴长大,系统达到稳定时,平均极化增加,且恒定电场越大,平均极化越大;交变电场作用下,铁电畴产生极化反转,形成电滞回线和蝶形回线,电场频率或者强度越大,矫顽电场和剩余极化越大,温度越高,矫顽电场和剩余极化越小.     

水力作用下同向双平面滑移型岩质边坡稳定性分析

同向双平面滑移型岩质边坡的滑移破坏多属于推动式滑动破坏,其稳定性主要取决于滑动面的物理力学性质和地下水对岩体的水压力。通过分析此类边坡中地下水力的作用,发现水压力主要为沿结构面的静水压力和拖拽力。在建立边坡水力分析模型的基础上,推导出后缘结构面临界充水高度的表达式,并根据与降雨强度的关系建立水力驱动型边坡滑移破坏判据。最后选取实际边坡算例,验证公式的合理性,并运用Matlab编程分析了边坡稳定性系数在不同滑动面水深、滑动面倾角、坡高等影响因子影响下的动态演绎规律。结果表明:边坡的滑移破坏取决于水力作用的触发,边坡稳定性系数的降低主要与静水压力有关,渗透力的影响很小;在这些影响因子中,坡高、滑动面水深对稳定性系数影响较显著。     

基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试

微纳尺度下的水合物力学特性对厘清外荷载下孔隙中水合物与沉积物骨架相互作用机制以及揭示含水合物沉积物宏观力学行为机理具有重要意义.本文使用改装的低温原子力显微镜和直径5μm的二氧化硅(SiO2)微球胶体探针对四氢呋喃(THF)水合物进行了测试.在温度-30℃～-10℃和探针驱动速率0.5～20.0μm/s条件下,获得了微球压入THF水合物样品的深度、接触时间与接触力之间的关系以及微球与THF水合物样品间的黏附力.结果显示:压入过程中THF水合物产生了塑性变形,压入诱发的水合物相变可能进一步增强了塑性行为.在相同接触力作用下压入速率越小或温度越高, THF水合物的硬度越小且塑性行为越明显. THF水合物的屈服应力存在阈值(或者临界效应),这可能是导致含水合物沉积物应变硬化和应变软化现象的重要原因之一.基于修改后的幂率流变(PLR)黏弹性模型,低驱动速率和相对高温条件下THF水合物的黏弹性更显著. THF水合物表面的似液层和分解液在样品与微球间形成的液桥是两者间产生黏附力的主要原因,在温度-30℃～-10℃范围内黏附力约1.1～2.5μN,它主要与脱离前两者间的接触面积有关.     

青藏铁路块石夹层路基结构的冷却作用机理

为研究块石夹层路基结构的冷却作用机理, 建立了开放和封闭状态下块石夹层路基结构试验段, 获得了一个冻融循环的监测资料. 研究结果表明, 开放状态下冬半年块石层内温度场主要表现为强迫对流效应; 当风速减小时, 靠近坡脚处块石层内能产生微弱的空气对流效应; 夏半年块石层以热传导过程为主. 封闭状态下, 由于阻断了风的影响, 块石层内强迫对流效应减弱, 全年基本以热传导过程为主. 块石夹层路基结构对路基下部土体产生的冷却作用机理主要为强迫对流效应加微弱的空气自由对流效应, 其过程和冷却作用强度主要与风速和风向有关. 由于冷却作用机理的差异, 开放和封闭状态块石层对路基下部土体的冷却作用要相差2~4℃.     

内编队中残余气体对内卫星的干扰分析和计算

在内编队系统中,内卫星在外卫星的封闭腔体内自由飞行,其轨道是纯引力轨道.由于腔体内温度的不均匀和内卫星与腔体的相对运动,腔体内的残余气体对内卫星产生干扰作用.本文基于自由分子流理论推导了残余气体分子对内卫星的干扰作用表达式,包含了辐射计效应、气体阻尼作用.同时,对腔体和内卫星构成的系统进行传热分析,得到了腔体内壁和内卫星表面的温度分布;对内编队保持控制进行仿真,得到了内卫星的相对运动速度.根据较为真实的温度分布和相对运动速度,计算了内卫星受到的残余气体作用力.计算结果表明,在内编队当前设计下,辐射计效应量级为1011ms2,气体阻尼量级为1015ms2,残余气体的干扰作用主要表现为辐射计效应.     

下保护层开采覆岩裂隙演化规律模拟试验

以寺河二号井为试验矿井,采用相似模拟和数值模拟实验对下保护层开采后覆岩裂隙演化规律进行研究,结果表明:下保护层开采后覆岩冒落带发育高度为4m,裂隙带发育高度为26m;工作面回采过程中,覆岩破坏呈倒置的梯形演化,覆岩离层裂隙向前与向上同时渐进式演进;覆岩离层裂隙主要经历了形成、扩展、闭合三个过程,随着工作面的逐步推进,中部采动裂隙被上覆岩层压实,而受煤柱支承作用,近煤壁区域裂隙数量仍然非常大;下保护层开采后上覆岩层采动裂隙以高角度、中宽度为主,裂隙数量随着覆岩高度的增加而逐渐减少;下保护层开采后裂隙带分布呈两边高中部低的"马鞍形"。     

温度梯度荷载作用下CRTS Ⅱ型板式无砟轨道砂浆层界面损伤分析

温度荷载引起的轨道板与砂浆层之间界面的损伤影响轨道结构的传力与受力特性,是服役期内高速铁路无砟轨道需要重点关注的问题.建立CRTS Ⅱ型板式无砟轨道有限元模型,采用内聚力模型模拟分析了极端温度梯度荷载作用下砂浆层界面的损伤行为,以及温度梯度荷载循环作用下不同黏结状态界面的累积损伤特性.结果表明:在极端温度梯度荷载作用下,沿轨道板边缘出现环状的界面损伤区域,边角处产生离缝,损伤发生后界面内应力重新分布,在边缘附近形成应力集中带.在温度梯度荷载循环作用下,黏结性能良好界面的损伤区域较小,损伤区随循环作用次数的增加没有明显扩展;对于黏结性能不良的界面,其损伤区域和离缝面积均随循环作用次数增大而加快发展,离缝区越靠近轨道板中心,界面损伤发展速率越大.     

表面介质阻挡纳秒脉冲放电能量特性和诱导流动特性研究

聚焦于表面介质阻挡纳秒脉冲放电(NS DBD)基本问题,设计不同结构激励器,研究放电能量特性、诱导流动特性.结果表明:单位展长激励器单次放电能量随激励电压增大而非线性增大,其值在0.1~1 m J/cm量级,与激励器长度和激励频率无关;NS DBD瞬时功率可达几百千瓦,而时均功率较低,仅为瓦量级.NS DBD诱导流动的速度较低,在0.1 m/s量级上;提升激励电压对诱导速度提升不明显;随激励频率增大有所增大.NS DBD可诱导形成冲击波,其初始运动速度稍高于音速,不同结构激励器诱导冲击波在传播位置上无明显差别,主要影响诱导冲击波个数;激励电压对冲击波传播速度无明显影响;唯象学仿真表明不同沉积能量诱导冲击波速度不同,实验对应下的沉积能量诱导冲击波波速近于音速.     

非均质底水油藏水平井沿程水淹模型

地层非均质性和井筒压降是水平井沿程见水不均匀的两个重要影响因素.本文建立了底水油藏地层两相渗流与水平井井筒变质量流的耦合模型,并给出求解方法.保持井筒沿程平均渗透率和变异系数不变,构造不同的渗透率分布,并以此为基础,利用所建模型对井筒沿程产液剖面与渗透率剖面关系、井筒沿程含水率变化规律和水平井井口含水率变化规律进行分析.研究表明,由于井筒压降的作用,沿程渗透率分布对水平井含水率的变化有很大的影响,井筒沿程产液剖面与渗透率剖面相关性沿流体流动方向逐渐变差;在井口定产液量的条件下,高渗带与跟端距离越近,高渗带处产液量越来越大、水平井见水越早、井口含水率上升得越慢、开发效果越差.     

升阻比对可重复使用运载器爬升特性影响

针对地面助推水平发射的两级入轨空天飞行器,以一级可重复使用运载器气动特性和爬升弹道特性耦合研究为目标,基于二维三自由度弹道方程,通过计算较系统地分析了运载器升阻比对其分离点速度、高度、弹道倾角、动压、最大过载等一系列参数的影响,并与垂直爬升弹道进行了比较.计算结果表明升力爬升弹道较垂直爬升弹道可获得更高的分离点速度,且在小推重比条件下差别尤为明显.同时,通过提高升阻比,可有效提升分离点高度、减小分离点动压以及全弹道最大过载等,并可大幅拓宽分离点弹道倾角的调节范围.最后对地面助推水平发射方式及对应最佳弹道方案进行了讨论,并提出了气动布局设计的关键需求.     

月球软着陆飞行动力学和制导控制建模与仿真

着重对月球软着陆制动段、接近段和着陆段的飞行动力学模型进行了研究,同时基于动力学模型对各阶段制导律进行了优化设计.制动段飞行时间和距离较长,拟采用均匀球体模型,该模型也是软着陆全过程下降轨迹分析和动力学仿真的基础;制导律设计中考虑到该段燃料消耗很大,主要以燃料最优为设计指标.接近段距离月面较近,且经姿态调整后接近垂直下降,拟采用平面月球模型;制导律设计采用基于重力转弯技术的最优开关制导律.着陆段几乎垂直下降,动力学模型可在平面月球模型的基础上简化为一维垂直下降模型,制导律设计拟在垂直方向采用简单的程序制导方式.最后,在考虑测量、推力误差以及环境干扰等影响下对着陆精度进行了初步仿真分析,结果表明,给出的软着陆三阶段动力学模型和制导律是可行的.     

各向异性开孔弹性泡沫的压缩大变形分析与模拟

通过将规则Kelvin模型沿某一方向伸长,而保持与其垂直方向的原有尺寸不变,得到了结构各向异性的胞体模型;然后,利用其在整个空间具有的周期性和对称性得到了简化后的周期性结构单元,并类似于已有文献中的做法,采用半支柱求解单元和弹性挠曲理论来分析其力学行为,获得了沿胞体伸长以及垂直于胞体伸长两个不同方向上的应力、应变的理论表达式和相应的压缩应力-应变曲线;并且,利用有限元模拟方法对上述理论预测结果进行了验证.结果表明:在应变不太大时,理论预测与有限元数值模拟结果非常接近,证明了理论分析的有效性;各向异性比对泡沫材料的力学性能影响显著,随着各向异性比的增加,在相同应变下,压缩应力在胞体伸长方向得到提高,而在垂直于胞体伸长方向则表现为下降.     

环路热管启动特性的实验研究

通过大量的实验研究了蒸发器内气液分布、反重力工作高度、启动热载荷的大小、热沉温度等因素对启动的影响, 描述并分析了4种不同蒸发器内气液分布情况下的启动现象, 给出了系统温度变化曲线图, 分析了启动的难易程度. 根据实验数据得出结论: (ⅰ) 对于液体干道内充满液体的启动情况, 储液器温度上升的主要原因并不是漏热, 而是回路压力升高所致. (ⅱ) 热载荷大有利于启动. (ⅲ) 未完全绝热时小热载荷下热沉温度不影响启动. (ⅳ) 环路热管在反重力情况下启动时, 当蒸汽槽道存在蒸汽时, 所需启动时间、启动温升增大; 而蒸汽槽道充满液体时, 所需时间、过热度和启动温升都减少. 实验还观察到了反重力启动时呈现两种启动方式的特别现象.     

向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏流动特性研究

对微型燃气轮机向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏流动，在级环境下进行了全三维粘性数值模拟研究．结果表明，轮盖和叶轮叶片顶部之间的相对运动引起的刮削流以及叶轮顶部压力面和吸力面两侧的压差对间隙泄漏流动起主要控制作用，叶顶线速度越高，间隙尺寸越小，刮削作用越强；改变叶轮转速对叶轮中部和导风轮顶部间隙内的泄漏速度影响不大，但是叶轮转速能明显影响通道涡涡核与吸力面之间的距离；间隙泄漏量主要在导风轮顶部区域形成，如布置泄漏抑制结构，在轮盖子午弦长的中后部将是最有效的．