投弃式海流剖面仪探头流场数值模拟

 以三维Navier-Stokes方程为控制方程,结合k-ε两方程湍流模型,采用隐式有限体积法对投弃式海洋剖面仪（XCP）探头进行数值模拟,分析XCP探头周围流场的分布情况。根据XCP探头周围流场分布,对探头的运动特性,重点是探头的头部和尾翼流场进行分析。研究表明,在探头迎流前端小于10cm处,流体层流边界层发展为湍流边界层,因此探头头部的弧线型设计对于保证探头获得稳定的下落速度作用至关重要,探头尾翼虽然会减小下落速度,但有利于保证探头稳定的垂直下落姿态。研究结果验证了模拟计算方法的准确性,同时为同类探头的优化设计提供了参考依据。     

NMOHEMS剖面探头阻力系数数值计算与实验

NMOHEMS剖面探头主要用于快速获取海洋水文剖面资料,剖面探头投放后,运动时间和下落距离关系的确定将直接影响到剖面测量结果的准确性。在玻璃水箱和水库2种环境下,分别设计实验方法。在玻璃水箱实验中,利用高速摄像记录不同质量剖面探头的下落过程,编写图像处理程序、完成数据处理和误差分析;水库实验在船上进行,自主研制水面实验装置,对影响因素进行修正,以提高实验结果的真实可靠性。剖面探头稳定下落时的雷诺数在104~105范围内,针对这一特点采用数值计算方法进行三维粘性流场数值模拟。结果表明,阻力系数随着雷诺数的增加而减小,数值计算结果与实验结果吻合较好,验证了该数值计算方法的正确性,可为NMOHEMS系列化探头的设计提供参考。     

基于CFD的投弃式温深计探头流场分析

为研究船用投弃式温深计 (XBT)探头在水下的运动规律,根据XBT探头的外形结构,利用FLUENT软件建立其流体动力学分析模型,并进行了网格划分,确定出边界条件。分析了XBT探头周围流场的分布情况,重点是探头的头部和尾翼处的流场分布。结果表明,探头的结构设计合理,有利于其在水下保持稳定的运动姿态。该研究可为XBT探头结构的进一步优化提供参考。     

基于OpenFOAM重力式采样器自由下落姿态数值分析

为了提高深水重力式沉积物采样器在海流、缆绳等外力作用下的采样效率,基于Open FOAM程序并通过动态重叠网格方法,模拟静水中采样器在触底前较大范围内自由下落时的姿态。首先构建采样器与流体相互作用三维时域耦合计算模型,并采用Newmark法对结构在流场中的运动方程进行迭代求解;验证网格收敛性,分别对初始倾角为0°和5°的采样器自由下落姿态进行时域模拟,分析下落距离、下落速度以及采样器偏转角之间的相互关系并研究采样器的偏转角对取样效率的影响。研究结果表明:本文构建的结构与流体相互作用的三维时域计算模型可以精确模拟采样器自由下落姿态;采样器的初始偏转角对采样器下落姿态以及取样效率均有较大影响。     

海洋XBT投放系统中探头插销自动拔取机构设计

针对现有人工手持式投弃式温度深度剖面仪（XBT）探头投放方式存在的人为因素对测量的干扰等问题,设计了一种用于XBT自动投放系统的探头插销自动拔取机构。通过杠杆对力的放大作用,实现在有限行程范围内的探头插销自动拔取。实验结果表明,该机构有效可靠,投放成功率达到95%以上,投放平均时间节省50%以上,并可通过简单的外形或接口调整用于多种探头自动投放系统中,应用范围较广。     

投弃式温深计探头海水中下落深度计算方法研究

为计算投弃式温度深度测量计（XBT）探体在海水中的下落深度，在基本运动学分析的基础上，推导出XBT探体在海水中下落深度的计算公式及相关参数，并分析了探体重量误差对深度计算结果的影响。与标准温盐深仪的对比实验证明，该公式计算出的深度平均误差在2%以内。     

ADCP方向谱估计的倾斜修正算法研究

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)是用来测量不同深度上海水流速的仪器,在测流基础上可以通过速度测点组成阵列反演海洋表面波浪。当ADCP倾斜时,速度测点位置发生偏移,导致方向谱估计出现误差,为提高测量精度,有必要对测点位置进行修正。本文在引入旋转矩阵的基础上给出了当ADCP倾斜时的测点位置修正方法,通过仿真和实测数据分析表明,当ADCP倾斜时,方向谱估计误差不仅和俯仰角横滚角有关,同时与ADCP安放深度有关。该倾斜修正算法,同时考虑姿态角和安放深度,提高了ADCP倾斜状态下的方向谱估计精度。     

水平旋转圆筒表面温度和浓度边界层的测量

用自制的微热偶式测温和测湿装置分别对大直径水平旋转圆筒表面温度边界层和浓度边界层进行了测量．实验表明,旋转对顺向侧和逆向侧的影响情况有所不同顺向侧边界层的温度梯度和浓度梯度随旋转雷诺数的增加一直增大,而逆向侧的温度梯度和浓度梯度随旋转雷诺数的增加先减小后增加用微热偶式测温装置测量边界层温度分布时,由辐射引起的温度测量误差不超过3%,用微热偶式测湿装置测量边界层浓度分布时,由辐射引起的湿球温度测量误差在3％～8％,且离圆筒越近测量误差越大。     

一种新的叠加系统旋转效应的评估指标

针对旋转效应是叠加系统测量不确定度的重要影响因素,提出一种旋转效应的评估指标——力传感器所受的水平附加侧向力的波动量(F_m).基于有限元法,建立了叠加系统旋转效应的测量模型,模拟结果显示增大均力板厚度有利于削弱F_m.通过试验验证,发现F_m越小,旋转效应也越小.在试验力级250 k N处,均力板厚度为6、9和12 mm的叠加系统测量的最大偏差值分别为0.000 59、0.000 49和0.000 28 m V/V.有限元模拟和试验结果验证了评估指标的可行性,同时也为叠加系统的结构优化提供了有效的手段.     

纳米锌粉水解高效旋流反应器转化率和颗粒停留时间研究

将高效旋流反应器应用于纳米锌粉水解制氢实验系统中,在反应器内化学反应与气固分离同时进行,节省分离所需设备投资.研究表明:旋流反应器内固体颗粒在气流的强旋转力作用下,形成三维两相湍流旋转流场,颗粒的随机运动提高了传热、传质速率;颗粒随着尺度的减小,反应速度加快,转化率提高;颗粒在反应器内的停留时间随着入口处气速雷诺数的增加而延长,当雷诺数过小,流体达不到湍流状态,停留时间明显减小.     

釜式泰勒流反应器流动特性与传质机理研究

通过设计一种气液混合射流的方案,在搅拌釜式反应器底部加装气体分布器,生成泰勒涡流。采用数值模拟和实验相结合的方法分析反应器内涡流流动特性及传质机理。结果表明：搅拌釜式反应器内泰勒涡流随旋转雷诺数变化的演变规律与常规泰勒反应器内涡流的演变规律类似;泰勒涡流的生成在搅拌釜式反应器原有的全混流流型中构建出局部的平推流区域,降低了返混;平推流区域随着旋转雷诺数的增加而扩大,在临界旋转雷诺数工况下可使反应器气相均布性提升28%,溶氧速率提升5倍左右,有效地改善了反应器内流动状况,强化了气液间的传质效率。研究结果为突破常规泰勒流反应器反应空间小的局限、扩大生产规模提供了理论研究依据,对釜式反应器的改装具有普适性,简便易行。     

旋转圆柱层流绕流出现二次不稳定现象的数值模拟

采用数值模拟方法,计算了旋转圆柱在层流状态下流场随雷诺数和转速的变化.针对旋转圆柱在均匀流中引起的涡脱落以及二次不稳定现象,进行了分析.选取雷诺数为Re=60,80,100,130,160,240时,将圆柱的转速一直增大,直到流场第二次达到稳定状态.比较了圆柱的旋转在流场达到第一次及第二次不稳定状态时对其表面的气动力、涡量以及周围流场影响的不同.计算结果表明,低转速下,流场出现初次不稳定状态时,雷诺数为Re=60,80,100,130,160,240,所对应的临界转速比分别为α=1.40,1.70,1.80,1.85,1.90,1.95;随着转速的升高,流场再次出现不稳定状态,所对应的转速比区间分别为5.1< α < 5.6,4.9< α < 5.4,4.6< α < 5.2,4.4< α < 5.0,4.3< α < 4.9,4.2< α < 4.7.      

圆柱空腔内旋转流动涡破裂随Re变化的实验研究

针对旋转封闭圆柱空腔内的轴对称涡破裂现象,设计了可变旋转Ｒｅ实验系统。实验中空腔高径比Ｈ／Ｒ＝１．７８。采用激光相位多普勒测量技术测量了圆柱空腔轴线上轴向速度分量分布随Ｒｅ变化的情况,定量观测和分析了涡破裂现象的发生、发展过程,测量到涡破裂现象出现和消失这两种临界状态２。     

水平旋转圆筒表面对流传热和传质实验

采用微热偶式测温和测湿技术,分别对大直径水平旋转圆筒表面对流传热和传质特性进行了对比实验研究.实验数据验证了在圆筒表面对流传热和传质之间存在着良好的可类比性,即旋转对圆筒表面对流传热边界层温度场分布和局部努塞尔数的影响规律与旋转对传质边界层浓度场分布和局部舍伍得数的影响规律相似,但顺向侧和逆向侧之间存在着明显的差异;旋转对圆筒表面平均传热努塞尔数数和平均传质舍伍得数的影响规律也相似,都存在临界雷诺数.当旋转雷诺数小于或等于临界雷诺数时,平均努塞尔数和平均舍伍得数随旋转雷诺数的变化基本保持不变;当旋转雷诺数大于临界雷诺数时,平均努塞尔数和平均舍伍得数随旋转雷诺数的增大而增大.实验中还发现,由于传热和传质的边界层条件不同,热质交换共存时的临界雷诺数小于纯对流传热时的临界雷诺数.     

地磁场传感器及其在飞行体姿态测量中的应用

目的 研究飞行体姿态测量方法以及地磁传感器的姿态测量原理,建立地磁场传感器姿态测量数学模型,通过理论推导给出飞行体姿态的计算方法。方法 根据法拉第电磁感应定律,即线圈切割地磁场磁力线产生感应电动势的原理,设计一种基于地磁场传感器的姿态测量系统。结论 该地磁场传感器可应用于高过载旋转飞行体的姿态测量。     

叶尖定时及叶尖间隙测量技术研究综述

涡轮叶片在高速旋转时会因振动产生疲劳断裂失效,造成旋转机械的损坏。叶尖定时测量技术是目前最有前途的非接触式叶片振动实时监测方法,叶尖间隙变化与叶片的振动状态密切相关。因此,实时监测叶片的振动状态和叶尖间隙是保证旋转机械安全、稳定、可靠运行的关键。系统综述了叶尖定时及叶尖间隙测量技术的原理和国内外研究成果,认为目前研究仍处于仿真模拟和实验测量的不完全成熟阶段,今后可在以下方面展开研究:1)将叶尖定时和叶尖间隙测量技术相结合,实现叶片的振动测量;2)进行无键相法的叶片异步振动测量,并投入到工程应用中;3)制定有效的动态标定方案,测量叶片在旋转状态时输出电压与叶尖间隙之间的关系;4)研制能够在恶劣环境下进行高精度、长周期测量的传感器。     

过渡流搅拌槽内单颗粒悬浮特性的实验研究

利用高速摄像技术对过渡流搅拌槽内单颗粒的运动特性进行捕捉,分析了搅拌雷诺数及桨叶离底高度对颗粒悬浮运动的影响规律,并使用二维粒子图像测速技术得到搅拌槽内的流场信息。研究结果表明：颗粒的临界悬浮转速随桨叶离底高度的降低而降低;桨叶离底高度对颗粒在槽底的运动影响较大;颗粒在垂直离底悬浮后,于桨盘下方附近螺旋上升或作持续的螺旋状圆周运动;搅拌雷诺数升高对颗粒垂直上升的最大高度和最大速度影响较小,但会减小垂直上升过程中桨盘的转动圈数;颗粒螺旋上升是由于轴向流场在颗粒停滞位置向两侧产生了分叉;颗粒的悬浮主要是由流体的主体流动引起的。     

二维矩形截面柱体气动力系数雷诺数效应

在TJ-2风洞中,测量了5种截面宽厚比(B/D为2.0,2.5,3.0,3.5和4.0)的二维矩形截面柱体的表面风压时程,雷诺数(Re)的变化范围为1.1×105~6.8×105,然后通过风压时程积分的方法获得了模型的气动力系数时程.研究了各模型气动力系数的雷诺数效应,分析了模型的平均阻力系数随截面宽厚比的变化规律,并与以往的研究成果进行了对比,最后分析了各模型的气动力系数功率谱随雷诺数的变化规律.研究表明,宽厚比2≤B/D≤4的二维矩形截面柱体的气动特性受雷诺数的影响,且随着截面宽厚比的增大,二维矩形截面柱体模型的气动特性对雷诺数越来越敏感.尾流区的旋涡脱落对模型顺风向脉动风荷载有一定程度的贡献,但横风向升力主要来源于尾流的漩涡脱落.