加热丝上过冷池沸腾汽泡射流现象及其模拟

实验观察分析直径25及100 mm微细铂丝上过冷池沸腾微小汽泡射流现象, 利用高速摄影和PIV技术获取汽泡周围射流形态及流场, 发现小尺寸汽泡具有明显的顶部射流, 大尺寸汽泡则可以在汽泡两侧出现多股射流. 通过分析汽泡界面相变换热以及热毛细力效应(Marangoni), 建立了近壁面汽泡计算模型并数值模拟汽泡周围流场, 模拟射流结构及喷射强度等与实验结果一致吻合. 分析证明, 热毛细效应引起汽泡界面快速流动并带动周围液体形成射流; 汽泡直径对于射流结构有重要影响, 决定着汽泡射流多样性结构.     

激波与可燃粉尘界面的相互作用

对足够强的激波以0°角与气体-可燃颗粒悬浮流界面正碰撞时和以90°角扫过气体-可燃颗粒界面时所诱发的带化学反应的两相流动进行了实验研究和数值模拟,其结果基本揭示了激波与可燃粉尘界面相互作用的发生和发展过程.计算结果与可测实验结果符合较好.     

爆轰驱动高能起爆技术实验研究

爆轰驱动激波风洞的驱动气体声速较高,擅长模拟高总温、高总压的试验气体.降低驱动气体声速会导致起始爆轰困难,因此在低总温、高总压气体模拟方面能力不足.本研究提出了一种新的高能起爆方法——封闭式点火管,在高浓度氮气稀释的氢氧混气中实现了起始爆轰,成功获得了低声速的驱动气体.通过实验明确了点火管起爆能量的主导因素,给出了封闭式点火管的设计原则.通过实验和计算明确了新方法对激波管/风洞流动过程的影响机理,据此提出了封闭式点火管的使用原则.利用这种新方法获得了低总温、高总压的试验气体,为拓展高超声速飞行条件地面试验能力提供了可行方法.     

高速可压缩流动壁函数边界条件的改进与应用

为发展适用于高速流动的壁函数边界条件以降低摩阻和热流模拟时的网格相关性,针对Nichols等人提出的可压缩壁函数边界条件开展了改进研究．首先,通过数值试验修正了可压缩速度壁面律的参数取值·9其次,基于数值试验和理论分析,对温度壁面律的表达式进行了修正;最后,推导了近壁区的热传导项表达式,更准确地实现了壁函数边界条件与CFD程序的耦合．之后,对修正的可压缩壁函数边界条件开展了应用研究．对超声速平板湍流边界层的模拟结果表明：壁函数在壁面法向第1层网格y＋〈400时均能给出准确的壁面热流密度和摩擦系数值,且在稀网格下也可得到合理的边界层速度型、温度型以及湍流涡黏性系数分布;数值实验表明对原始壁函数的修正显著提高了热流密度和摩擦系数的模拟精度．对包含分离流动的超声速凹槽和高超声速轴对称压缩拐角算例的数值模拟发现：基于充分发展的附着湍流边界层理论建立的可压缩速度壁面律对分离区内部近壁区仍然近似适用,可保证分离区内部给出可靠的摩擦系数和热流密度;而对于分离／再附点附近,壁函数的模拟精度相对较差,其原因在于分离／再附点附近的真实速度型与壁函数中速度壁面律形式出现明显差别．     

超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧流场的数值模拟研究

应用经显式可压缩修正的SST湍流模型,对超燃冲压发动机燃烧室流场进行了三维数值模拟,并与实验结果进行了对比.通过对燃烧室流场数值模拟结果的分析给出了湍流燃烧流场的特征.为了定量分析超声速流动条件下湍流燃烧的作用特点,基于湍流燃烧理论与湍流燃烧的数值模拟结果,通过对控制无量纲参数在流场中变化的研究发现：超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区;在喷口附近湍流和燃烧的作用最强烈;超声速燃烧流动中,湍流引起的火焰非定常效应和局部火焰熄灭现象均可忽略,定常火焰面的近似假设是成立的.     

H2/O2/Ar可燃气体激光诱导火花点火的实验研究

对H₂/O₂/Ar可燃气体激光诱导火花点火进行了实验研究. 采用Nd:YAG激光器产生的 532 nm激光聚焦击穿气体点火, 并采用激光高速纹影系统对不同初压、激光点火能量、氩稀释度可燃气体点火的火焰结构进行了流场显示. 结果表明, 气体击穿形成椭球形等离子体, 稀疏波与等离子体作用, 在等离子体迎光侧和背光侧分别形成一对反旋的螺旋环, 导致等离子体和随后的火焰面向内弯缺, 在等离子体左侧激光轴附近形成一个向外凸出的气瓣. 等离子体的高温气体诱导火花核的形成, 受壁面反射弱激波或压缩波的作用, 初始层流火焰减速. 弧形火焰阵面与壁面的作用及其与激波或压缩波、稀疏波等作用, 导致层流火焰向湍流火焰转捩. 对摩尔比为2:1:10、初压为53.33 kPa, 激光诱导火花点火的激光器最小输出能量为 15 mJ. 随预混气初压的升高, 激光点火能量越高, 降低氩稀释度, 会加快火焰阵面传播速度.     

小天体防御高速撞击数值仿真研究

目前发现的太阳系小天体超过数百万颗,小天体的形成与演化过程都伴随着频繁且剧烈的撞击,近地小天体还可能与地球相撞并造成重大灾难,而使用航天器高速撞击小行星将其摧毁或改偏其轨道,是目前最有效可行的防御手段之一.因此研究小天体的高速撞击过程,对揭示太阳系小天体的形成与演化,以及近地小天体的撞击防御评估都至关重要.基于光滑粒子流体动力学方法,本文开发了完全自主知识产权的小天体高速撞击数值模拟软件THU-SPHSOL,数值仿真研究了材料特性和内部结构对撞击毁伤结果的影响,以及撞击成坑过程的溅射物规律,研究结果将为我国即将开展的小行星撞击防御任务提供重要参考.     

基于模态置信准则计算的L(0,1)导波弯头反射研究

研究了L(0,1)模态导波在管道弯头处的反射特性,提出了一种新的基于导波模态置信准则计算的L(0,1)模态导波弯头反射分析方法.使用数值模拟方法研究了L(0,1)模态导波在弯头处的模态转换,并分析了导波激励频率、弯曲半径和弯曲角度3种因素对L(0,1)模态导波反射的影响;利用导波模态置信准则表示导波弯头反射程度,反射程度随频率和弯曲半径变化趋势与数值模拟结果进行了对比,最后进行了实验验证.结果表明:L(0,1)模态导波在弯头会部分转换成F(1,1)模态,方向与弯头拱背-拱腹方向一致;随着频率和弯曲半径增大,导波反射幅值单调减小,随着弯曲角度增大,反射幅值非单调变化;用导波模态置信准则表示弯头反射程度随频率和弯曲半径变化趋势与数值模拟结果一致,实验结果进一步验证了导波模态置信准则表示方法的正确性.研究结果将为含弯头管道L(0,1)模态导波检测提供理论指导和新的分析方法.     

超临界态煤油流动与对流传热特性数值研究

本文采用湍流模拟方法结合煤油的10组分替代模型对国产RP-3航空煤油在水平圆管中的超临界态流动及对流传热特性进行了研究.湍流模拟采用RNGk-两方程模型以及增强壁面处理方法,煤油热物性和输运参数的确定基于10组分替代模型,并采用广义状态对应法则（ECS）结合考虑真实气体效应的Benedict-Webb-Rubin方程计算.同时,通过网格无关性研究以及与煤油加热圆管实验数据的比较验证了数值方法的可靠性.在本文研究的流动条件下,对于壁面热流为1.2和0.8MW/m2的算例,当管壁温度略超过煤油的拟临界温度时将发生传热恶化现象,并且恶化程度随着热流密度的降低而减小;而在壁面热流为0.5MW/m2时则不再出现传热恶化.通过分析传热恶化前后近壁区湍流强度可知,传热发生恶化以及传热性能的再次恢复与近壁湍流强度的变化有关.经典的传热公式如Sieder-Tate公式、Gnielinski公式可以基本反映亚临界区煤油的传热关系,但不能预测煤油的传热恶化现象.而考虑超临界特性的Bae-Kim修正公式可以描述煤油的传热恶化.另外,研究发现：当煤油进入超临界态时,管道摩擦阻力将显著增加.     

激波诱燃冲压发动机关键技术研究

激波诱燃冲压发动机作为未来吸气式高超声速飞行器最理想的动力系统之一, 能有效弥补超燃冲压发动机与机身一体化设计所带来的缺点, 缩短燃烧室长度, 减轻发动机结构重量, 在宽飞行马赫数范围内保持较好性能. 对激波诱燃冲压发动机基本原理进行阐述的基础上, 指出了发展这种新型推进系统的关键技术, 并就关键技术的研究现状做了比较详细的综述, 对国内在这方面的研究思路提出了建议.     

浮法玻璃表面渗锡过程的数值模拟

通过分析浮法玻璃渗锡机理,综合考虑玻璃内部氧活度及锡的氧化还原反应,建立了亚锡离子氧化模型计算亚锡离子转化为锡离子的速率,为两种离子浓度分布的独立预测及渗锡机理的数值方法验证提供了条件.在此基础上,建立了扩散过程的耦合数值模拟方法,同步模拟了两种离子的渗透过程.结果表明：高铁含量玻璃在锡槽的还原性气氛中,氧活度剧变处发生了锡离子的积聚,渗锡分布出现卫星峰,而低铁含量玻璃无该现象.与徐冷法相比,锡槽内采用加热重热温度制度,渗锡量、渗锡深度更高,卫星峰向深度方向迁移.为了控制渗锡量,应减少玻璃在高温区停留时间.     

爆轰双向驱动双状态并行技术的原理性研究

爆轰驱动激波风洞是用来产生高超声速高焓试验气流的地面试验装置,通常分为正向爆轰驱动激波风洞和反向爆轰驱动激波风洞两种.本文针对单独正向或反向驱动模式的不足,提出一种新型的爆轰双向驱动模式,同时利用爆轰波的高能波阵面和泰勒稀疏波尾部平稳端,在一次试验中同时实现中焓与高焓两种高超声速试验气流.本文利用高温热化学反应流动数值计算技术,模拟并分析了爆轰双向驱动激波风洞中的关键波动力学过程,数值计算结果表明,爆轰双向驱动技术是可行的,而且正向驱动端和反向驱动端的状态调整具有相对独立性,可以覆盖中高焓大范围跨流域试验能力.     

弹体高速侵彻混凝土的数值模拟及实验研究

进行了100 mm直径弹体800 m/s速度下侵彻混凝土靶的试验,得到了大尺寸弹体高速侵彻1 m直径混凝土间隔靶的结果.运用数值模拟,研究了大尺寸弹体高速侵彻混凝土靶中的靶板设计问题,得到了较好的靶板设计方案.数值模拟能一定程度上辅助研究大尺寸弹体侵彻混凝土靶问题,对以后的实验设置和进一步的数值模拟有指导意义.     

“磁阻力伞”三维数值模拟初步结果

基于Bush于1958年提出的外加磁场与电离等离子体相互作用产生的电磁力可以增加高速进入黑障区飞行器的阻力，通过三维磁流体力学控制方程（MHD）数值仿真模拟，做了不同磁场强度条件的参数对比和受力分析研究，发现飞行器所受的磁阻力随着磁场强度增强显著增加．当磁场强度为0．4T时，飞行器所受磁阻力可达25kN，弓激波也远离飞行器表面．     

土工离心模拟高速滑坡碎屑流冲击过程的科氏效应研究

土工离心模拟是土木工程、地质工程等相关领域的重要技术.但在高速滑坡碎屑流模拟方面的应用仍然受限,主要原因在于科氏效应的影响难以避免且缺乏详细研究.本文特别针对高速滑坡碎屑流冲击效应这一防灾减灾工程重要问题,开展了一系列的物理离心试验与数值试验.相关结果表明,科氏加速度的方向对高速滑坡碎屑流冲击过程的影响更为显著,发散科氏作用强化了滑坡碎屑流与拦挡结构的相互作用,表现在其具有更高的流动性、更强的冲击效应、更大的堆积体高度.离心应力水平对压缩科氏效应作用效果的影响更为显著,且随着离心应力水平的增大,模拟结果向着无科氏条件影响结果的方向发展.因此,高速滑坡碎屑流冲击效应的土工离心模拟建议在发散科氏条件下开展,且不必刻意选取较小的离心应力水平.     

高速侵彻弹体熔化质量侵蚀的数值模拟研究

将质点映射算法嵌入自主开发的MMIC-2D欧拉型爆炸与冲击问题数值模拟程序中,并在计算程序中加入基于熔化热熔融理论的质量侵蚀模型.利用该程序对弹体高速侵彻混凝土靶板问题进行了数值模拟研究,将数值模拟结果与相关实验数据进行了对比,并对侵彻速度、弹体头部系数等影响侵彻性能和弹体质量侵蚀的相关因素进行了分析.     

力学冲击试验中激波和类行波的作用

用NASTRAN和ANSYS软件包计算在冲击作用下试件所受的应力,其结果往往比实测值偏大许多倍.本文认为冲击在试件中诱发了激波或类行波,采用Lax-Friendrichs(L-F)格式数值模拟了激波和类行波在固体中的传播,计算结果表明应力波的作用区间很小,而且作用时间很短,表观很大的冲击力及其所做的功实际并不大.计算所得的冲击值分布与冲击试验的实测值趋势符合,定性解释了出现上述情况的物理原因.     

基于SPH的大坝泄流过程仿真分析

采用SPH方法,对溢流坝泄流过程进行了数值仿真.通过人工黏度、固壁边界处理、弱可压缩状态方程的使用,模拟了溢流坝泄流坝面水流演进、水舌空中变化、再入水过程,以及下游水垫塘涌浪变化过程.数值模拟结果和物理模型实验结果的对比分析表明,数值模拟得到的水面线、抛射距离、水舌入水深度与物理模型实验结果基本相符,说明基于SPH方法的数值模拟在一定程度上可以替代物理模型实验进行大坝泄流分析和优化设计.     

材料动态性能对高速切削切屑形成的影响规律

高速切削作为一门先进制造技术已经在工业生产中得到日益广泛的应用,对高速切削过程切屑形成机理的研究有助于进一步发挥高速切削技术的优势和促进高速加工装备的发展,同时可指导优化切削参数、控制切屑形态以改善加工表面质量.高速切削切屑形态变化是工件材料在不同切削载荷下表现出的动态力学性能差异所致.弄清楚高应变率下材料动态力学性能有利于揭示高速切削切屑变形与失效机理,同时高速切削实验的合理设计与应用可以成为材料在高应变率下动态力学性能的新型测试手段.本文以高速切削过程工件材料动态性能变化对切屑形成的影响为主线,结合我们在高速切削切屑形成机理方面多年的研究成果,对高速切削过程中工件材料的强度、塑脆性和微观组织变化等方面进行了综述分析.阐明了高速切削条件下碎断切屑形成的力学条件,指出了传统切削理论在应力状态对切屑变形和失效的影响机理、切屑微观组织演化等方面研究存在的不足,最后对未来的超高速切削切屑形成机理研究进行了展望.     

基于反应欧拉方程投影算法的广域尺度气体爆炸数值模拟研究

近年来广域尺度可燃气体爆炸事故愈发严重,亟需发展有效的数值方法模拟爆炸波的传播发展及其对结构物的作用,预测和评估爆炸造成的危害.本文采用含极端刚性源项的反应欧拉方程描述广域尺度气体爆炸过程,基于算子分裂法,通过高分辨率格式捕捉激波,采用投影法处理化学反应刚性源项,解决了化学反应和流体动力学时空尺度不匹配的问题.通过若干一维爆轰波算例验证了本文数值方法能够在网格尺度欠解析的情况下准确捕捉爆轰波的传播过程,且几乎不受空间重构格式的影响,具有较好的鲁棒性.进一步将一维数值模型推广至二维含复杂结构物气体爆炸问题,几组二维算例表明本文数值模型能够在较粗的网格条件准确捕捉弯曲爆轰波的传播及其散射行为.最后计算了一个广域尺度含复杂结构物的爆炸波算例,表明本文的数值方法具备在空间网格欠解析的情况下模拟真实广域尺度气体爆炸问题的能力,有望为城市爆炸安全评估提供压力、温度等数据.