低温火箭“跑长途”

<正>低温火箭,又叫"冰箭",采用无毒、无污染的液氢、液氧等低温化学推进剂,性能极佳。不过,目前国内外的低温火箭在轨时间大多只有几十分钟到几小时。这是因为低温火箭在飞行时会面临严酷的热环境,低温推进剂受热会大量蒸发,这极大地影响燃料供给。另外,火箭在飞行时每隔一段时间要向外排气,维持贮箱压力不超限。但在太空微重力环境中,气     

在轨运行低温液氢箱体蒸发量计算与增压过程研究

为了研究低温箱体在外部漏热下的在轨增压过程,采用FLUENT软件中的流体体积(VOF)方法,对AS-203飞行试验中低温液氢箱体进行数值模拟。通过对默认可实现k-ε模型进行参数调整,并与试验结果对比发现,调整参数后的模型可较好地预测低温液氢箱体在轨增压过程。因此,采用该模型对所研究低温液氢箱体进行500s增压数值模拟,计算结果表明:与气枕接触的壁面漏热绝大部分用来使箱体增压,小部分用来产生相变;在外部漏热下低温箱体压增速率约49.6Pa/s,箱体气液界面的蒸发率约为0.101 6%/h;在一定的微重力水平下,自然对流作用依然存在,其对流强弱主要取决于箱体尺寸以及外部漏热热流大小;在整个模拟过程中,气枕区热分层较之液相区更为严重;随着重力水平的降低,表面张力的作用逐渐凸显,界面形状变为曲面。     

超声场中双气泡非线性动力学参数

从气泡动力学出发,建立了双气泡在外加声场作用下的运动方程,对气泡间的相互作用力进行了研究.研究结果表明：考虑到气泡之间相互作用后,气泡的运动方程、谐振频率、谐振时半径的变化情况明显与单个气泡不同,这些参数不只与气泡各自的初始半径,外加声压强度,液体的黏滞性等因素有关,还与它们之间距离和相对另一气泡的初始半径有关.研究发现：气泡的谐振频率与它们之间距离有关,随着气泡之间距离的增大,其谐振频率在不断减小.但当它们之间的距离增大到某一值时,其谐振频率趋于一定值.这也可以理解为当气泡相对较远时它们之间的相互作用对其影响可以忽略,此时的谐振频率即为单泡的谐振频率.对于谐振时它们的半径变化而言,两气泡之间的作用是相互抑制的,但气泡的初始半径的不同,这种抑制作用的强、弱不同.气泡初始半径相同的气泡,相互抑制作用较弱,数值计算表现出半径相同时其谐振半径的变化幅度要大于半径不同时的结果.     

蜂窝体蓄热室回收转炉煤气余热可行性研究

从转炉煤气点火源能量出发,研究蜂窝体蓄热室回收转炉煤气中、低温段余热的安全性.建立蜂窝体蓄热室通道物理模型,根据JKR碰撞理论和摩擦学理论分别计算蜂窝体蓄热室内多颗粒相潜在点火源能量.通过最小点火能测定实验台测出常温下3种转炉煤气的最小点火能,修正最小点火能理论计算公式,修正系数为0.909;计算得到3种转炉煤气在着火点(973K)时的最小点火能分别为7.36×10^-7,6.26×10^-7,6.01×10^-7J.与潜在点火源能量对比,结果表明:孔径小于6mm的蜂窝体蓄热室回收转炉煤气中、低温段余热是安全可行的.     

气泡生长及脱离过程中下边缘的迁移行为

基于高速摄像技术记录静止液体中气泡生长及脱离过程,并采用Image-Pro Plus 6.0软件进行后处理,研究了两种管径下气泡生长过程的形状变化.实验结果表明:由于不同管径下气泡生长过程中起主导的作用力不同,导致小管径生成气泡的高宽比随时间变化呈先陡后缓的上升趋势,大管径生成气泡的高宽比随时间变化呈先缓后陡的上升趋势;由于生长前期不满足脱离条件,小管径生成的气泡会出现下边缘向液体侧迁移的现象;大管径生成的气泡在气液面与固液面夹角小于接触角时即达到脱离条件,因此不会出现迁移;3.80 mm气泡脱离上浮的临界高宽比稍大于9.28 mm气泡相应值.     

静水中气泡上升运动特性的数值模拟研究

采用数值模拟和实验研究相结合的方法,对静水中气泡上升运动特性进行了研究。在考虑和不考虑Basset力的情况下对推导出的静水中单个气泡上升运动控制方程进行耦合求解的基础上,对比分析了不同初始半径气泡上升速度模拟值与实测值之间的差异,研究了在考虑Basset力的情况下静水中不同初始半径气泡的模拟上升速度与时间的关系以及上升速度和初始半径对气泡半径变化率的影响。     

文丘里管反应器空化泡的动力学特性

应用四阶Runge-Kutta法,对空泡径向非线性方程进行数值模拟,分析了文丘里管反应器内空泡的成长与溃灭特性以及湍流作用、空化泡初始半径、入口压力对空化泡运动特性与形成压力脉冲的影响规律.结果表明:在湍流作用下,气泡崩溃时压力脉冲远大于非湍流的效果,初始半径越小,压力脉冲越大,入口压力变化对压力脉冲影响有一最佳值.     

气液两相流对直接接触膜蒸馏传质强化和阻垢性能研究

系统研究了气液两相流对板框式膜组件内直接接触膜蒸馏过程的传质强化特性和阻垢性能,结合对流道内气泡尺寸和流动特性的观察和定量分析,讨论了不同进料温度、进料浓度、进气流量和进料流量条件下鼓泡对膜蒸馏的传质强化效果．研究结果表明：在相同鼓泡强度下,低进料温度和高进料浓度的系统由于温差极化和浓差极化更严重,鼓泡对传质的强化效果更显著;随着进气流量的增加,气泡尺寸增大,气泡的上升速度随气泡尺寸先增大后减小,对膜通量的提高比也先增加后减小．50～100 mm²的气泡具有最快的上升速度,对膜面边界层扰动最强,传质强化效果最好;大于100 mm²的气泡由于体积过大,受到来自隔网、壁面的阻力也会更大,导致气泡的上升速率减小,且过大的气泡尺寸使料液与膜壁接触面积减小,导致有效传质面积减小,强化效果减弱．随着进料流量提高,隔网对气泡的剪切作用增强,气泡变小,最佳进气流量增大．研究结果也表明鼓泡能提升高盐溶液浓缩过程的水通量,推迟晶体在膜面沉积发生的时间,显著减缓结垢层的增长速度．研究结果将为气液两相流对膜分离过程的传质强化研究提供重要参考．     

溢流式筛孔板热水塔内单气泡的可视化实验

以煤气化渣水回收系统中的蒸发热水塔为研究对象,对热水塔内孔径为5 mm的塔板上单气泡的形成和运动特性进行了可视化实验,借助高速相机和图像处理方法得到了气泡整个生长周期的形变过程及运动特性。实验结果表明:气泡的生长周期分为3个阶段:形成区、上升区和振荡破碎区。气泡等效半径在形成区迅速增大,在上升区和振荡破碎区缓慢增加;气泡长径比在形成区呈衰减变化,而在振荡破碎区变化规律性较差;蒸汽气泡的y向形心运动速率先增大后平稳波动,氮气气泡的y向形心运动速率处于一直增加的状态,但在振荡破碎区的运动规律较差,蒸汽和混合气体气泡在冷凝过程中均出现了中空现象。对于混合气体气泡,氮气流量的增加导致气泡形成和破碎的时间变短,阻碍了蒸汽传热冷凝。     

IF钢铸坯皮下小气泡分布

通过铸坯取样分析研究了板坯结晶器内拉速和电磁制动与小气泡分布之间的关系,探讨了拉速以及电磁制动对IF钢铸坯皮下气泡大小、数量和分布的影响规律.实验结果表明:铸坯皮下气泡直径小于0.1 mm的气泡占总数的57%,0.1~0.5 mm之间的占42.5%,大于0.5 mm占0.5%,并且随着皮下距离的增加,被捕捉的气泡尺寸越来越小,而气泡数量边部比1/4处要多50%左右,1/4位置最少;拉速提高会导致气泡尺寸变小,在1/4及边部,气泡聚集位置由皮下9 mm变为12 mm附近,但是低拉速和高拉速均在皮下3 mm位置处有气泡聚集;电磁制动下,铸坯中心处气泡尺寸变大,1/4及边部位置气泡尺寸变小,且会使气泡数量总体降低,主要表现在聚集位置处的气泡数量明显减少.     

水平集法模拟PCrNi3MoV钢奥氏体晶粒长大组织演变

为了探索PCrNi3MoV钢加热或高温下晶粒长大规律,采用水平集法进行数值模拟,研究其在不同加热条件下的晶粒长大组织演变行为,同时使用Gleeble-1500D热模拟试验机对PCrNi3MoV钢进行1 000～1 100℃下保温10～2 000 s的一系列等温条件下奥氏体晶粒长大试验。采用Burke-Turnbull晶粒长大模型,利用反算法求得材料参数中间变量M_bγ_b终值在1 000℃、1 050℃和1 100℃时分别为7.51×10^-6 mm²s^-1、2.03×10^-5 mm²s^-1和4.26×10^-5 mm²s^-1,时间指数n终值分别为0.532 4、0.802 6和0.771 1,这表明1 000℃下晶粒长大趋势显著低于1 050℃和1 100℃的长大趋势。为了解决n值不一致的问题,改进了Burke-Turnbull晶粒长大模型,改进模型的决...     

粗晶粒铸轧AZ31镁合金的高温拉伸性能

研究了具有较大晶粒尺寸铸轧态AZ31镁合金的高温拉伸性能。通过热处理获得晶粒尺寸d=27.8μm的板材,对不同试样,在温度分别为300,350,400,450℃恒温条件下,以10^-3s^-1和10^-2s^-1恒定拉伸速率对试样进行拉伸至失效实验。结果表明,粗晶粒AZ31镁合金在450℃和10^-3s^-1条件下达到最大的延伸率106.7%。拉伸试样断口形貌的分析表明,450℃时出现丝状物质是合金出现液态Zn的结果。少量的液相可以释放应力集中和协调此时的变形过程。与细晶粒铸轧态AZ31相比,在拉伸条件相同和晶粒尺寸不同的情况下,粗晶粒的塑形较低,其原因是晶界滑移在变形时所作贡献少。     

质子交换膜电解池内氧气泡输运过程特性

研究了质子交换膜电解池(proton exchange membrane electrolysis cell,PEMEC)阳极流场内的氧气泡运动特性,采用VOF(volume of fluid)方法分析了多孔输运层(porous transport layer,PTL)表面接触角、液态水流速、氧气产生速率及PTL孔径对氧气泡在流道中运动特性的影响.结果表明:PTL处理为亲水性有利于气泡脱离,降低表面气体覆盖率,促进液态水到达催化层;高的液态水流速会减小气泡脱离时间及脱离体积,降低PTL表面气体覆盖率及容积含气率,促进气泡从流道中排出;气体生成速率增大会提高流道容积含气率和PTL表面气体覆盖率,不利于电解池的运行;随PTL孔径增大,气泡脱离体积增大,脱离时间先减小后增加.     

钻井环空中赫巴流体内气泡的上升速度

气泡在钻井环空中的运动规律是井筒多相流的一个研究重点,气泡上升速度则是其中的一个关键参数。井筒 内各流型内气泡/气体上升速度的准确性很大程度上影响了井筒多相流描述的精确性。为此,按照含气率对环空流型 进行了划分,对各流型气泡的运动行为进行了分析。系统地总结分析了单气泡在无限流域中的滑脱速度及气泡纵横 比的计算方法。利用赫巴流变模式对气泡周围表观黏度进行了修正,通过实例对比分析单气泡在赫巴流体内滑脱 速度几个计算公式,认为Rodrigue 公式相对于Harmathy 公式来说是极大的提高,能适应不同形状的气泡,可作为泡状 流流域气泡滑脱速度计算的首选公式。通过对单气泡滑脱速度进行含气率、尺寸和井斜修正,得出了环空中各流型的 气体滑脱速度计算方法,过渡流型的气泡滑脱速度则采用线性处理,并对环空气泡滑脱速度随含气率变化关系进行了 实例分析。最终通过漂移流模型给出了计算环空气泡上升速度的方法。     

饱和氢气加注过程中低温贮箱降温特性及热应力分布的数值研究

为了获得低温贮箱在饱和氢气加注过程中的降温特性以及箱体壁面的热应力分布,通过计算流体力学软件FLUENT计算了一定加注流量下贮箱内部流体区域的流场、温度场和壁面内的温度场变化,分析了加注过程中贮箱内的流动特性和降温特性;采用单向流固耦合方法进行壁面热应力分析,得到了3种不同进、出口约束条件下热应力在壁面中的分布以及最大热应力随时间的变化情况,并分析了进、出口弹性支撑约束条件设置的合理性;考虑贮箱内的压力变化,进行了箱体壁面的综合应力分析。计算结果表明:加注过程可以分为3个阶段,前2个阶段贮箱内部的流场、温度场和壁面温度分布特性依次由入口强制对流和壁面自然对流单独决定,第3阶段由入口强制对流及壁面自然对流共同决定;在3种不同的约束条件下,箱体壁面中的最大热应力均出现在贮箱加注口和排气口处,在进、出口弹性支撑条件下,壁面最大热应力随时间先增大而后趋于稳定,在稳定应力状态下,热应力的存在使箱体壁面总应力增加了15%左右。     

超声对软物质液滴作用的动力学研究

用空化泡运动的研究方法推导出超声作用下软物质液滴在与之不相混溶液体中半径变化的运动方程,通过数值模拟探讨了超声频率、声压幅值、初始半径和界面张力系数对液滴半径变化的影响。结果发现:频率越低、声压幅值越大,液滴运动越剧烈;声压幅值小于静压时液滴只在初始半径附近做微小的稳定振动;液滴初始半径越小,液滴运动越剧烈,但初始半径大小不影响液滴最终所能达到的大小;界面张力系数的大小对超声场中液滴半径变化影响不大。     

铸轧AZ31镁合金的高温拉伸性能

研究了铸轧AZ31镁合金的高温拉伸性能和变形机制.在300～450℃条件下,分别以恒定拉伸速率10^-3s^-1和10^-2 s^-1进行拉伸至失效试验,在真实应变率为2×10^-4～2×10^-2 s^-1的范围内进行变应变率拉伸试验.当拉伸速率为10^-2s^-1时,试样在400℃和450℃的延伸率均超过100%;当拉伸速率为10^-3 s^-1时,试样在400℃和450℃的延伸率均超过200%,该条件下的应力指数n≈3,蠕变激活能Q=148.77 kJ·mol^-1,变形机制为溶质牵制位错蠕变和晶界滑移的协调机制.通过光学金相显微镜和扫描电子显微镜观察显示试样断口处存在由于发生动态再结晶和晶粒长大而形成的粗大晶粒,断裂形式为空洞长大并连接导致的韧性断裂.     

平放圆柱体内液体晃动特性及横向受力分析

基于势流理论研究平放圆柱形贮箱内任意充液比液体晃动问题,用Galekin方法求解该边值问题。研究液体自由晃动问题求出满足边界条件的势函数空间项,分析液体晃动频率随充液比例和半径变化的情况,并与实验结果进行了对比,吻合良好。在液体强迫晃动中从自由液面动力学方程出发消掉空间项得到势函数时间项n阶微分方程并数值求解。推导了液体作用在贮箱上的横向力,并计算不同充液比时地震加速度激励下的贮箱受力。     

涂覆石墨烯的电介质纳米盘的表面等离激元回音壁模特性

提出涂覆单层石墨烯的电介质纳米盘结构,并利用有限元方法数值解析这种纳米结构的表面等离子激元回音壁模的电磁场特性.计算并分析品质因子(Q值)、模式体积随着电介质纳米盘半径大小、石墨烯化学势和谐振频率的变化规律.结果表明:当纳米盘的半径为5 nm,石墨烯化学势为0.9 eV时,其品质因子高达195,对应模式体积小于2×10^-7(λ₀/2n)³.     

应变速率对Fe-11Mn-2Al-0.2C中锰钢变形行为的影响

对Fe-11Mn-2Al-0.2C中锰钢进行不同应变速率(2×10^-4~200s^-1)下的拉伸试验,探讨其力学性能和变形机制.结果表明:随应变速率的增加,抗拉强度由1456MPa逐渐降低到1086MPa;在应变速率为2×10^-4~20s^-1时,总伸长率由48.2%降低到38.2%;在应变速率为20~200s^-1时,由38.2%上升至44.0%.随应变速率的增加,试样的显微组织被拉长、扭曲、切断;韧窝形态由深的等轴韧窝向浅的卵形韧窝转变;试样受力由正应力为主导逐渐转变为剪切应力为主导.变形机制与应变速率有关,低应变速率(2×10^-4~2×10^-3s^-1)下TRIP效应明显;中应变速率(2×10^-2~2s^-1)下TRIP效应受到抑制,出现TWIP效应;高应变速率(2~200s^-1)下TRIP和TWIP效应都增强.