基于实验铝合金激光小孔焊熔池表面速度计算

为了解决激光焊接铝合金熔池表面液态金属流动速度量值化问题,结合高速摄影装置与波动理论,提出了计算激光焊焊接过程中铝合金熔池表面液体流速的计算方法.根据有限深度液体流动模型,波速取决于液体波传播的波长以及液体深度这两个物理量,采用高速摄影对焊接过程中熔池的流动形态进行拍摄,得到进行波的波长;对焊缝截面的熔深进行测量得到液体的深度,可以计算熔池表面液体的流动速度.研究表明,在激光束功率为6 kW,焊接速度分别为0.066 7,0.075,0.083 5 m/s的高速焊情况下,熔池表面的流动速度可达0.065 8,0.064,0.072 m/s.     

高压水射流破岩应力波效应的数值模拟

高压水射流破岩是一个涉及诸多因素的复杂的非线形动力学问题,利用非线形有限元法,采用动态接触模拟高压水射流对岩石冲击作用.结果显示岩石内部最初受到冲击时的不稳定性由强变弱,反映了岩石的动态响应特性;模拟了在不同冲击速度下应力波在岩石中的传播和衰减过程,结果表明应力波的传播速度与冲击速度成正比,射流速度越大,应力波衰减越快;同时还模拟了以相同的速度分别冲击砂岩和煤时的应力波效应,计算表明在相同的冲击速度下,射流冲击煤的局部性效应比冲击砂岩时更为显著,应力波在砂岩中的传播范围要广泛一些.     

不同形状喷嘴的高压水射流冲击力特性实验

高压水射流的柔性冲击力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,喷嘴的出口形状对射流的冲击力影响较大。设计了5种不同形状的喷嘴,在自主设计的水射流冲击测试平台上开展了冲击实验,并采用PVDF压电薄膜传感器和高速摄像机来记录测试数据。实验结果表明：在相同的工况下,圆形喷嘴水射流的集束性最好,冲击诱导的冲击波对流体的扩散形态影响最大,最终导致其中心冲击压力最大;依次是正方向喷嘴、三角形喷嘴与十字形喷嘴,椭圆形喷嘴的水射流形态最为发散,其中心冲击压力最小;所有喷嘴形状水射流的峰值压力均随系统泵压的增加呈现非线性增加的趋势,而峰值压力持续时间几乎保持不变。     

实验研究铝在TPa压力下的状态方程

利用脉宽为1.2 ps, 功率密度约为10¹⁴ W/cm², 中心波长为785 nm的啁啾脉冲激光聚焦作用于500 nm厚的铝膜表面, 在其中激发一强冲击波. 利用从主脉冲分出的一小部分啁啾脉冲激光构成Michelson干涉仪对冲击波到达靶背面时的卸载速度进行同步诊断. 抽运光、探测光之间的时间测试精度优于100 fs, 因而可以准确测量冲击波通过500 nm厚靶材的平均速度. 冲击波卸载速度的精确测量得益于啁啾脉冲的超快时间分辨能力. 实验结果表明, 在以上实验条件下, 冲击波的平均速度为(15.15±0.3)km/s, 冲击波卸载时初速约为15.24 km/s, 对应的冲击波波后压力约为0.3 TPa.     

液固高速撞击时材料表面损伤的数值模拟

为了研究液固撞击的机理,采用光滑粒子流体动力学方法（SPH）与有限单元法（FEM）建立了考虑流固耦合效应的高速液固撞击数值模型,详细分析了直径为2mm、撞击速度为1000m／s的液滴和射流对有机玻璃（PMMA）的三维撞击和破坏状况．分析表明：射流与液滴在撞击初始时刻的前缘变形和内部压力分布几乎是完全相同的;液滴撞击固体的最大压力值出现在0．20μs时,但此时材料内部最大等效应力只有104MPa,材料还不足以发生破坏;产生于液固撞击瞬时后0．32μs、速度高达2925m／s的侧向射流是使固体表面产生破坏的主要原因,因此撞击最初的破坏位于以撞击中心为圆心的一个圆环区域处．所得材料表面损伤情况与Brunton的实验数据吻合良好,证明了数值模型的可行性和精确性．     

基于ALE算法的水射流冲击不规则靶体 冲击压力特征

水射流冲击压力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,然不同形状的靶体对射流冲击压力影响较大.基于Arbitrary Lagrangian-Eulerian算法,数值研究了水射流冲击凸面、斜面、平面与凹面钢板过程中的冲击压力特征.研究结果表明:(1)水射流只有在冲击斜面与平面时,其冲击压力才会出现典型的水锤压力阶段与滞止压力阶段,当冲击凹面时出现双峰值特征,而冲击凸面时出现多峰值特征;(2)水射流冲击不同形状的钢板靶体时,水锤压力峰值与射流速度呈二次方关系,水锤压力持续时间与射流速度呈指数关系;(3)在相同的射流速度下,凹面靶体所受水锤压力峰值最大、持续时间最长,凸面靶体所受水锤压力峰值最小、持续时间最短,斜面与平面靶体介于二者之间.     

高电荷态离子40Arq+与Au表面作用产生的X射线谱

利用光谱技术研究了高电荷态离子⁴⁰Ar^q+(q= 16, 17, 18)离子入射金属Au表面产生的X射线谱. 分析结果表明, Ar的Kα-X射线是离子在与固体表面相互作用过程中在固体表面之下形成的空心原子发射的. 当电子组态为1s²的高电荷态Ar¹⁶⁺离子在金属表面中性化过程中, 存在着多电子激发过程使Ar¹⁶⁺的K壳层电子激发产生空穴, 进而级联退激发射 Ar 的 Kα特征 X 射线. 入射离子的Kα-X射线产额与其最初的电子组态有关, 靶原子的X射线产额与入射离子的动能有关.     

二体和三体晕核

利用渐近归一化常数(ANC)方法计算了一系列核的价核子密度分布的均方根半径〈r²〉^1/2 . 由于用ANC方法抽取的〈r²〉^1/2 值近似与模型参数无关, 因此是考察晕核的有效物理量. 此外, 还利用价核子、核芯核和核物质密度分布均方根半径的关系, 计算了一些三体系统双中子密度分布的均方根半径. 在两种标准下, 对晕核的候选者作了详细评估. 结果表明, 处于2s态(基态或激发态)的¹¹Be(1/2⁺, g.s), ¹²B(1^-, 2.621 MeV), ¹³C(1/2⁺, 3.089 MeV), ¹⁴C(0^-, 6.903 MeV), ¹⁴C(1^-, 6.094 MeV), ¹⁵C(1/2⁺, g.s), ¹⁹C(1/2⁺, g.s)是中子晕核, ¹⁷F(1/2⁺, 0.495 MeV), ²¹Na(1/2⁺, 2.423 MeV)是质子晕核. 对于三体系统, 除公认的⁶He, ¹¹Li外, ¹⁴Be, ¹⁷B也可能是双中子晕核.     

兰州储存环主环上小丸内靶的热力学模拟

小丸内靶可配备近4π立体角的探测器, 是在兰州储存环主环上进行强子物理实验的主要内靶之一. 通过模拟氢小丸内靶从液滴演化到固体小丸的整个热力学过程, 给出了氢微球的温度和质量的变化趋势. 计算表明: 在兰州储存环主环上运用氢小丸内靶进行实验时, 实验亮度最大可达到1×10³³ /(cm²·s).     

高温高密度氦流体物态方程

用二级轻气炮作为冲击压缩加载手段和多通道瞬态辐射高温计作为主要测量工具, 测量了冲击压缩下氦气(初始温度293 K, 初始压力为0.6, 1.2和5.0 MPa)的Hugoniot曲线和高达15000 K的冲击温度. 发现用Saha方程和Debye- Hückel修正模型计算初始压力为5 MPa的氦气物态方程与实验数据有较好的符合程度. 理论计算的氦气(初始压力P₀ = 5.0 MPa, 初始温度T₀ = 293 K)在低压条件下冲击波速度与粒子速度关系D = C₀ + λu (u<10 km/s, λ = 1.32)与Nellis液氦实验数据拟合的D-u曲线近似平行(λ = 1.36), 这表明氦流体的Hugoniot参数λ不依赖于初始密度ρ₀;当冲击温度约大于18000 K(冲击压缩氦气电离度达到10^-3量级)后, 气氦D-u曲线很快过渡到λ = 1.2另外一条曲线, 达到了压缩氦气的极限值.     

水滴撞击固体表面实验研究

为了研究水滴撞击固体表面的影响因素,利用高速摄影仪记录了水滴撞击不同固体表面的形态变化过程,记录速度为2000f/s.实验是在常温大气环境中进行的,水滴的初始直径固定在(1.8±0.05)mm.对不同材料和不同表面粗糙度的固体表面以及不同撞击角度进行了实验观察,并采用图像处理技术获得不同条件对液滴撞击固体表面行为的影响.实验结果表明:不同固体表面、不同表面粗糙度和撞击角度对液滴撞击固体表面后的润湿行为有非常显著的影响.随着We由50增大到300,液滴撞击在非润湿性表面上会出现部分反弹、反弹甚至飞溅现象;相同固体表面的表面粗糙度增大使撞击过程的接触角变小.     

40Ar10+轰击Al和Si固体表面形成的200 ~ 1000 nm光谱

报道了利用兰州重离子加速器国家实验室ECR离子源提供的高电荷态离子⁴⁰Ar¹⁰⁺入射到Al和p型Si表面所产生的Al, Si, Ar原子的200~1000 nm特征光谱的实验测量结果. 结果表明, 低速高电荷态离子与固体表面原子相互作用可有效地激发靶原子和靶离子的特征谱线, 而且由于发射二次电子的无辐射退激与辐射光子退激过程的竞争, 使得在p型Si表面上Ar原子的光谱强度总体大于在Al表面上的光谱强度.     

弹体侵彻混凝土的三维数值模拟研究

随着技术的发展,弹体侵彻速度已经由低速侵彻(侵彻速度<900 m/s)向高速侵彻(1 200 m/s<侵彻速度<1 700 m/s)发展. 这将导致弹体的侵彻性能发生本质性变化,严重影响弹体在混凝土中的运动轨迹,甚至会导致弹体的破坏与失效. 侵彻过程中弹体所受到的压力极高,并且会产生大变形,对该过程进行全物理场的数值模拟需要处理大变形、多物质界面以及各类强间断的问题. 针对三维冲击问题数值模拟的困难,课题组设计了三维爆炸与冲击问题高性能仿真软件(Explosion-3D). 采用该软件对弹体高速侵彻混凝土进行数值模拟研究,弹体材料选用普通的45#钢,研究其在高速侵彻下的弹体形状的变化情况,采用对混合网格的处理来描述弹体的磨损. 数值模拟结果表明,对于45#钢这类普通材料,当其高速(1 400 m/s)侵彻混凝土时,弹体头部将出现严重变化且侵彻深度急剧下降.     

40Arq+离子入射金属表面形成的靶原子的特征光谱线

用动能一定而电荷态不同的⁴⁰Ar^q+(6≤q≤14)离子和动能不同的⁴⁰Ar⁶⁺离子分别轰击金属Al, Ti, Ni,Ta和Au表面, 以及分别用动能相同(150 keV)的¹²⁹Xe⁶⁺, ¹²⁹Xe¹⁰⁺和¹²⁹Xe¹⁵⁺轰击Ta表面, 靶原子受激辐射发出的200~1000 nm波段的特征光谱线的实验结果. 结果表明, 合适的弹靶组合(⁴⁰Ar¹²⁺轰击Al, ¹²⁹Xe⁶⁺轰击Ta表面)可使靶原子受激辐射的特征光谱的强度显著增强, 而靶原子受激辐射的强度与入射离子的动能没有强的关联.     

水射流冲击固体表面的能量因素与冲蚀机理

利用PDPA测量技术和高速数码摄像技术对压力为280 MPa的纯水湍流射流进行定量测量与流束轮廓波动分析,进而在纯水射流中加入石英砂粒,形成磨料射流,以切割Al合金试样.对磨料射流作用过的试样表面形貌进行扫描电镜观察和三维光学轮廓扫描,从而获得试样表面的小尺度形貌特征.结果表明:高速纯水射流的连续集束段是产生射流冲击能量的关键,射流断面中心区存在着明显的湍流均方根速度低谷;采用统计图像灰度值的方法能够对射流流束轮廓的波动行为进行描述,灰度值也可以作为表征射流段集束程度的依据;高速砂粒与水射流的联合作用致使试样表面产生磨削痕、截断痕和撞击痕等明显特征,这些特征与靶距有着直接的关系.     

平面激波冲击柱形气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了马赫数为1.2的平面激波冲击下柱形气体界面的演变发展过程.采用环约束的方法,利用肥皂膜技术形成了柱形界面.在单次实验中得到了平面激波与柱形界面作用的全过程,观测了波系发展以及气体界面的演化.结果表明,在激波冲击下SF6气柱下游界面会产生射流结构并最终发展成蘑菇形状;而氦气气柱受到激波冲击后会出现反相,上游界面发展出射流结构并穿透下游界面,最终界面发展成两个独立的涡结构.通过测量比较界面尺寸的变化,可以较清楚地了解界面变形的物理规律.最后将SF6气柱实验中获得的激波和气体界面的速度与一维气体动力学预测结果进行比较,吻合较好,从而验证了环约束方法在Richtmyer-Meshkov不稳定性实验研究中形成气体界面的可行性.     

表面活性剂对中尺度气泡形状及速度的调控研究

为了有效调控中尺度气泡的行为,在纯水中通过添加不同浓度的3种表面活性剂实验研究了气泡上升过程中的形状与速度的变化.在一个方截面柱形容器内生成了4种中尺度气泡,再利用高速摄影仪记录了气泡的瞬时运动过程,通过图像处理软件分析了气泡的形状和速度.结果表明,由于Marangoni效应,适量的表面活性剂可以有效抑制中尺度气泡的变...     

利用高分辨率光缔合光谱学研究超冷铯分子的长程态

报道了利用高分辨光谱学对铯原子光缔合的实验研究, 用相对于铯分子6S_1/2+6P_3/2离解限最大红失谐为40 cm^-1的光缔合激光作用于磁光阱中超冷铯原子, 观察到通过光缔合产生的激发态超冷分子. 应用lock-in技术探测磁光阱超冷铯原子的荧光, 提高了光谱的信号-噪声比. 实验得到的光缔合光谱分别属于相对于6S_1/2+6P_3/2离解限的0^-_g , 1_g和 0⁺_u 3个长程态. 通过LeRoy-Bernstein定律标定出谱线中各个长程态相应的振动量子数, 并计算出长程相互作用主导项的有效系数. 同时在光缔合过程观察到了转动量子数 J 很高的分子转动结构, 这主要是由于在俘获光存在下光缔合过程中有高次分波介入的原因.     

利用高分辨率光缔合光谱学研究超冷铯分子的长程态

报道了利用高分辨光谱学对铯原子光缔合的实验研究, 用相对于铯分子6S_1/2+6P_3/2离解限最大红失谐为40 cm^-1的光缔合激光作用于磁光阱中超冷铯原子, 观察到通过光缔合产生的激发态超冷分子. 应用lock-in技术探测磁光阱超冷铯原子的荧光, 提高了光谱的信号-噪声比. 实验得到的光缔合光谱分别属于相对于6S_1/2+6P_3/2离解限的0^-_g , 1_g和 0⁺_u 3个长程态. 通过LeRoy-Bernstein定律标定出谱线中各个长程态相应的振动量子数, 并计算出长程相互作用主导项的有效系数. 同时在光缔合过程观察到了转动量子数 J 很高的分子转动结构, 这主要是由于在俘获光存在下光缔合过程中有高次分波介入的原因.     

水射流土层扩孔技术及影响因素

分析了水射流土层扩孔参数,建立了射流参数与土体参数的关系.通过实验,研究了射流参数和钻杆运动参数对扩孔效果的影响.结果表明:提高扩孔效果必须增大射流功率,在射流作用力大于土体临界破坏力的条件下,增大射流流量比增大射流压力更加有效;合理地匹配钻杆运动参数更有利于扩孔效果的提高.工程应用证明,运用水射流扩孔技术制作多环扩孔型锚杆是可行的,锚杆承载力明显提高.