合成射流控制圆柱分离及绕流结构的实验研究

在水槽中对合成射流控制圆柱分离及其绕流结构进行了实验研究. 射流出口为狭缝, 由圆柱前驻点向上游喷射. 实验表明: 与传统的将射流出口置于分离点附近或分离区内一样, 采用的合成射流布置方式对圆柱绕流分离同样具有很好的控制效果, 但控制机理不同. 在本实验采用的合成射流作用下, 圆柱绕流的前驻点前移, 在狭缝出口两侧形成一对旋涡. 当基于合成射流出口平均速度的雷诺数ReU约小于43时, 绕流在圆柱迎风面前形成闭合包线, 起到前缘修形的作用; 而在Re_U较大时则在圆柱迎风面前形成开式包线, 并使绕过圆柱的流体具有很强的湍流动能. 因此, 不论Re_U的大小如何, 合成射流都能改善圆柱绕流的分离状况. 对于圆柱背风面流动, 随着Re_U的增大, 后缘分离区逐渐减小, 在圆柱上游形成开式包线, 且大约当Re_U大于344时, 圆柱绕流可完全再附. 此时, 绕过圆柱的流体在后驻点附近汇合, 形成强剪切层, 诱导产生周期性向下游脱落的旋涡.     

微三角形槽道内非均匀定热流加热下的滑移流动换热

针对微三角形槽道, 利用正交函数法求解了滑移流区内带温度跳跃边界条件的能量方程, 理论分析了多种不同非均匀定热流密度加热条件下不可压缩气体在微三角形槽道内热充分发展滑移流动的换热特性, 获得了相应的温度分布及平均Nusselt数的计算式. 讨论了Knudsen数、微槽高宽比及不同加热边界条件对平均Nusselt数的影响. 计算结果表明: 正交函数法适用于微三角形槽道内滑移流动换热特性的分析计算; 在滑移流区, 微三角形槽道内的平均Nusselt数随Kn数的增加而减小, 但减小的幅度随微槽的高宽比和加热边界条件的不同而不同. 对微正三角形槽道而言, 相比单独底边加热条件, 两斜边加热条件下的换热性能在小Kn数时下降较缓, 在大Kn数时下降较大. 最后得到了非均匀加热边界条件下微正三角形槽道内平均Nusselt数的计算关联式.     

电磁分离铝熔体中非金属夹杂的磁流体动力学研究

采用量纲分析和数值计算相结合的方法研究了电磁场作用下铝熔体中非金属夹杂附近的磁流体动力学流动以及夹杂的受力. 量纲分析表明, 不变量A = JBρ_fd³_p/μ²_f 是表征夹杂受力大小以及熔体扰动强度的特征量. A的物理意义是反映了电磁力作用的修正的颗粒Reynolds数. 电磁场作用下夹杂附近熔体扰动出现失稳的判据为A > 2×10³. 计算结果表明, 在A≤1´10⁶的范围内, 忽略惯性项的影响对夹杂受力的影响不大; 而当A > 2×10³     

螺旋状下降的复式断面明渠中紊动结构与次生流动的数值模拟

采用正交曲线坐标下建立的紊流控制方程, 对弯道水流中由离心力和紊动应力联合驱动的二次流结构建立了数学模型. 将螺旋下降的明渠流动条件下的数值模拟结果与如下试验资料进行了对比: (ⅰ) 交错边滩式矩形断面弯道明渠流动, (ⅱ)复式断面顺直明渠流动. 计算中采用了3种不同的Reynolds应力计算方法, 包括Launder和Ying(LY)及Naot和Rodi(NR)的代数应力模型及运用非线性k-ε模型计算紊动黏性系数的SY模型, 在各种弯道曲率和边界条件下, 对不同紊流模型的二次流结构数值模拟结果精度进行了评估. 研究表明, LY和SY模型数值模拟计算得到的二次流结构和紊动应力分布与试验数据均能达到趋势上的符合, 能够模拟出紊动应力和弯道流动中的离心力对二次流结构形成的影响.     

微通道稀薄气体流动换热特性的研究

用直接模拟Monte Carlo方法对处于Kn = 0.05~1.0范围下的微通道内气体的换热特性进行了分析研究, 结果给出了不同Kn数、不同横纵比下通道内气体温度、壁面热流密度的变化曲线以及同一工况下壁面总的热流密度与局部热流密度随进口流速的变化曲线. 结果表明, 微通道内的换热主要集中在进出口处, 中间部分的换热很微弱, 其换热特性与Kn数及通道的横纵比有很大的关系, 进口流速对总的换热量影响不大, 但却改变了局部热流密度的分布.     

铜-水纳米流体流动与对流换热特性

建立了测量纳米流体流动与传热性能的实验系统, 测量了不同粒子体积份额的Cu-水纳米流体在层流与湍流状态下的管内对流换热系数和摩擦阻力系数, 详细讨论了Reynolds数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响. 实验结果显示, 在液体中添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数, 而纳米流体的阻力系数并未增大. 例如, 在水中添加2.0%体积份额的Cu纳米粒子, 相同Reynolds数条件下, 纳米流体的对流换热系数比水增大了约60%. 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素, 提出了计算纳米流体对流换热系数的关联式, 通过比较关联式的计算结果与实验数据, 表明关联式正确地描述了纳米流体对流换热过程, 可以用来计算纳米流体的对流换热系数.     

全氢聚硅氮烷浸渍裂解法制备高性能3D SiO2/Si3N4复合材料

以低黏度、润湿性好、陶瓷产率高的全氢聚硅氮烷为陶瓷先驱体, 通过多次浸渍-固化-裂解工艺制备了高性能三维石英织物增强氮化硅复合材料. 随着裂解温度的提高(从T₁, T₂到TT₃), 复合材料密度逐渐增加, 而弯曲强度先增后减. 在裂解温度T₂时, 先驱体具有较好的陶瓷化程度, 所制备的复合材料弯曲强度高达144.9 MPa, 且介电性能优良. 这些高性能源于较小的石英纤维损伤, 良好的纤维/基体界面微结构和高纯度致密氮化硅基体.     

动态接触角与接触线上的应力奇点

应用经典的Moffatt解, 通过引入接触线特征参数λ′, 给出了接触线上的黏性剪切应力, 导出了动态接触角和接触线移动速度的关系, 解释了文献中两种不同测量方法所得静态接触角不一致的现象. 理论所揭示的动态接触角和接触线移动速度的关系曲线和以往文献中的曲线形式基本一致. 通过和Hoffman试验数据的比较发现: λ′与流体性质无关, 是表征壁面性质的特征参数. 初步探讨了λ′的数理意义.     

原子力显微镜探针与样品的微观接触及黏滑数

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)的扫描探针、针尖以及样品组成了一个微观接触、弹性变形、相对运动和摩擦的系统. 采用微尺度黏着接触理论的M-D模型, 研究了微探针针尖和样品表面的弹性接触和相对运动, 探究了扫描过程中能量的转换和耗散过程. 推导出了无量纲的黏滑数, 模拟出了不同黏滑数下的AFM侧向力信号: η＜1时, AFM侧向力信号十分微弱, 没有剧烈突变; η = 1时, 出现针尖跳跃现象(对应微观黏滑现象), 但没有能量损耗; η＞1时, 针尖跳跃滞后加强, 黏滑现象明显, 并且伴随能量耗散. 该无量纲参数揭示了微观黏滑现象产生的机理, 统一地表示了探针刚度、结构参数、黏着接触表面、载荷、样品形貌以及扫描参数的综合作用和影响, 并与现有的AFM测试结果吻合良好. 最后, 提出了从AFM侧向力信号中定量提取摩擦力信号的分析方法.     

Si-Mn非调质钢终轧冲击功的理论计算

用合金相最强键上的电子数n_A、合金相界面的最小电子密度差Dρ及使界面电子密度保持连续的原子状态组数σ, 结合热连轧工艺, 计算了Si-Mn非调质钢终轧冲击功α_k. 计算表明, 固溶强化、析出强化、界面强化将引起终轧冲击功α_k的降低. 界面上使电子密度保持连续的原子状态组数σ 对α_k的影响则不同, 以α-Fe和α-Fe-C相界面α-Fe/α-Fe-C上的冲击值与电子密度的连续组数σ₀为参考值, 当某界面的σ＞σ₀时, 该界面产生冲击值的增加, 而σ＜σ₀时, 冲击值将降低. 于是可由终轧后细化了的α-Fe基体冲击值与固溶强化、析出强化、界面强化以及使界面电子密度保持连续的原子状态组数σ 引起冲击值变化计算出终轧冲击功α_k. 计算结果与生产实测值符合较好. 同时也讨论了S对冲击功值的影响.     

E非均质形核润湿角数学模型研究

分析了非均质形核润湿角, 根据均质形核和非均质形核的动力学条件, 推导了非均质形核的润湿角模型. 利用润湿角模型计算了铁液非均质形核过程中不同形核剂的润湿角, 计算结果表明大部分形核剂的润湿角都小于40°, 而f(q)的值远远小于1. 在一般的形核剂中, TiN, TiC和Re₂O₃的润湿角较小, 而MnO的润湿角较大. 本模型计算出的润湿角与其他研究结果一致.     

金属微滴快速凝固的过冷度研究

建立了金属微滴快速凝固过冷度的数学模型, 分析了金属微滴快速凝固过冷度的影响因素, 并定义参数ζ = σ,_SL³/(T_LΔH²)为微滴凝固过冷度变化的影响因子. 研究结果表明, 金属微滴快速凝固的过冷度大小随着凝固条件不同而变 化, 并主要是由于影响因子随条件不同发生改变所致, 影响因子越大, 可获得的相对过冷度也就越大. 快速凝固微滴的固液界面能、结晶潜热等参数会随微滴凝固条件的变化而发生改变.     

热及电场诱导石英玻璃的理论分析

基于实验结果, 归纳了热及电场诱导石英材料的3个基本结论. 在此基础上, 计算了经热及电场诱导块状石英玻璃的二阶非线性光学系数, 并得到了该值与诱导中的外加电压和诱导后产生的非线性层厚度的关系. 理论结果表明：经诱导的块状石英玻璃的二阶极化率χ⁽²⁾ 和二次谐波效率h 分别与外加电压成平方根和平方关系. 经一般热及电场诱导后, 块状石英玻璃的χ⁽²⁾ 为0.2~1.6 pm/V. 当热及电场诱导石英玻璃近似达到稳定状态后, χ⁽²⁾ 随着诱导时间的延长而减小. 理论结果与实验报道相当吻合.     

铝硅合金变质处理效果炉前快速评价新方法及系统试验

介绍了一种基于表面张力测试技术的炉前快速评价铝硅合金变质处理效果的新方法, 以及为实现表面张力快速检测而研制的自动测试系统. 通过理论探索, 确定了液态铝合金当量表面张力σ_e与信息参数ΔP, 和φ_v之间的关系:σ_e=α&#8729;ΔP+b&#8729;N+c&#8729;(φ_xφ₀+d). 经实际测试试验, 建立了表面张力与铝硅合金变质处理效果之间的联系,σ_e≥530 mN/m, 400<σ_e<530mN/m和σ_e≤400mN/m, 分别相应于Al-Si合金变质处理效果的AFS 1~2, 3~4和5~6级.     

考虑对流换热因素的阶形脉冲激光加工热过程解析解及实验验证

材料的激光加工热过程是涉及激光束、工件及周围环境相互作用的复杂热交换问题, 特别是对流换热边界条件的变化将对温度场分布及加工质量产生很大影响. 而以往的温度场求解中, 对流换热条件基本都被简化或忽略, 直接影响了温度场及后续流场、应力场的计算准确性和精度. 研究了考虑对流换热边界条件的材料表面脉冲激光加工热过程, 通过Laplace变换的方法求解出物体温度场分布的解析解, 对无量纲参数进行了适当地设置和定义, 研究了无量纲距离x′、无量纲时间τ、表面无量纲能量吸收M及Biot数Bi与温度分布(无量纲温度T ′)之间的相互关系. 通过分析表明, 随着Bi值的增大, 外界的对流换热作用越来越强烈, 使得温度最大值所处位置偏离开材料表面, 逐渐向内部偏移. 采用红外测温的方法对解析解模型进行了实验验证, 取得了较为理想的结果.     

利用“ISF”方法于地磁扰动事件的预报试验

以1966~1982年期间有关太阳活动、行星际扰动和地磁扰动的观测为基础, 综合行星际扰动过程的物理模型并运用模糊数学概念, 提出一种预报由太阳风暴吹向地球而引起的地磁扰动的“ISF”方法. 利用该方法对1980~1998年间24个较大的、曾引起空间灾害事件的地磁暴进行了预报试验, 在试验中考虑了每个扰动事件的三维传播特性、搜寻每个射电源的最佳贴近度和磁场南、北向分量的影响. 主要结果是: (ⅰ) 磁扰开始时间的预报值T_预与观测值T_观比较, 相对误差ΔT_预/T_观≤10%的事件, 占总事件的45.8%; ΔT_预/T_观≤30% 的事件, 占总事件的78.3%; ΔT_预/T_观＞30%的事件,只占总事件的21.7%.(ⅱ) 磁扰幅度的预报, 相对误差ΔK_p,预/K_p,观≤10%的事件,占总事件数的41.67%; ΔK_p,预/K_p,观≤30%的事件, 占总事件数的79%; ΔK_p,预/K_p,观≤45%的事件, 占总事件数的100%. 作为一个例子, 1998年4~5月事件的预报试验表明ΔT_预/T_观=7.4%, ΔΣK_p,预/K_p,观= 15.3%. 这表明该预报方法对空间天气事件中的地磁扰动预报有改善.     

电催化剂Pt的原子状态和性质

依据纯金属单原子理论(OA)确定了面心立方结构(fcc)电催化剂Pt的原子状态为[Xe](5d_n)^6.48 (5d_c)^2.02 (6s_c)^1.48(6s_f)^{0.02, 并对金属Pt的密排六方结构(hcp)和体心立方结构(bcc)初态特征晶体及初态液体的原子状态进行了研究, 在此基础上解释了Pt的原子状态与晶体结构、催化性能、导电性的关系, 并通过计算得到了fcc-Pt的势能曲线、体弹性模量和热膨胀系数随温度变化的曲线.}     

合金非调质钢终轧冲击功的理论计算

利用合金相最强键上的共价电子数n_A、相界面的最小电子密度差Δρ 及使界面电子密度保持连续的原子状态组数σ(σ′), 结合热连轧工艺, 在Si-Mn非调质钢终轧冲击功计算的基础上, 又探讨了含Cr, Ni, Mo, W, Cu, V, Nb和Ti非调质钢冲击功的计算. 结果表明, 合金非调质钢终轧冲击功强烈地依赖于强化机制. 固溶强化、界面强化、珠光体析出强化和弥散强化将引起终轧冲击功的降低. 细化强化、V, Nb和Ti在α-Fe-C-V(Nb, Ti)中的析出强化及含Ni奥氏体在α-Fe-C-Ni边界上的陈留将使冲击功增加, 其增加或减量可由n_A, Dr, σ(σ')及合金元素的权重进行计算. 将提出的终轧冲击功计算公式与已有的非调质钢终轧抗拉强度σ_b、屈服强度σ_s、伸长率δ 计算公式联立求解, 其值与生产现场实测值相符合.     

MgH2-V体系解氢能力的第一原理计算

基于MgH₂-5%(原子数分数)V机械合金化检测到VH_0.81/MgH₂相界的实验结果, 构建了一个VH/MgH₂相界模型, 然后采用第一原理赝势平面波方法, 研究了V对MgH₂解氢能力的影响及其电子作用机制. 结果显示: 合金化后形成的VH/MgH₂相界比MgH₂相的结构稳定性差, 表明VH相的存在能改善MgH₂相的解氢能力. 电子态密度(DOS)和电子密度图的分析发现: V对MgH₂相解氢能力的增强主要源于V诱导VH/MgH₂相界Fermi能级E_F处电子密度N(E_F)的增加和E_F附近HOMO-LUMO能隙ΔE_H-L的消失, V对MgH₂解氢动力学的催化作用可归因于V-H间电子相互作用比Mg-H间强, α-Mg形核在MgH₂-V体系的VH/MgH₂相界中比在MgH₂相中容易.     

相变材料微胶囊悬浮液在矩形小通道内流动特性实验

对相变材料微胶囊(MEPCM)-水悬浮液在矩形小通道内的层流流动摩擦阻力特性进行了实验研究. 实验中使用的MEPCM颗粒平均粒径为4.97 mm, 与蒸馏水混合制备成质量浓度为0~20%的各种悬浮液. 实验对MEPCM质量浓度对悬浮液在小通道内流动的摩擦因子以及压降的影响进行了研究. 悬浮液流动的Reynolds数范围是200~2000, 以实现小通道内层流和转捩流动. 实验发现, MEPCM质量浓度为0和5%的悬浮液的实验数据与连续性牛顿流体的充分发展流动的理论值符合的很好; 对于MEPCM质量浓度高于10%的悬浮液, 它们的流动摩擦因子以及压降明显高于牛顿流体的层流理论值.