以H_2O为冷却剂的开式喷雾冷却系统实验研究

为了获得用于机载激光武器冷却的喷雾冷却系统特性,设计并搭建了以H2O为冷却剂的开式喷雾冷却实验平台,研究了单相区喷雾冷却的换热性能。在实测出加热块温度的基础上,计算出表面温度、热流密度及传热系数,并通过上述参数考察了喷嘴类型、喷雾高度、喷射压力等因素对热沉表面换热性能的影响。结果表明:每种型号喷嘴都存在一个最优喷射高度值,使得喷雾冷却的性能达到最优,且最优高度值略小于临界高度值;同时随着系统加热功率的升高,喷射压力对喷雾冷却性能的影响更加明显。上述结论为机载激光武器冷却领域喷雾冷却系统的应用提供了参考依据。     

基于微喷射流的高功率LED散热方案的数值和实验研究

提出了一种基于封闭微喷射流的高功率LED主动散热方案, 系统采用一个微泵来驱动, 依靠封闭微喷系统实现大功率发光二极管(LED)芯片组的高效散热. 对没有采取数值优化情形下设计的上述散热系统开展了实验研究, 对比实验表明: 在不采用上述系统和完全依靠自然对流散热情形下, 对2×2 LED芯片组输入16.4 W的电功率, 运行10 min后, 芯片表面平均温度为112.2℃, 但采用上述冷却方案后芯片表面测量温度仅仅为44.2℃. 实验中改变微泵的流量, 结果表明: 微泵的流量增加将提高散热效率, 但将相应增大消耗功率. 对微喷散热实验系统同时开展了数值研究, 计算结果发现: 对2×2芯片组输入4 W电功率的情形, 稳态数值计算下芯片表面平均温度为34℃, 与实验测得的接近稳态下的温度32.8℃相当, 这表明该模型可以用于数值优化. 数值计算结果还表明: 实验用微喷射流器件需要开展参数优化.     

银纳米流体横掠微针肋热沉流动和传热特性分析

采用单步化学湿法（超声膜扩散法）制备出了3种体积分数的水基银纳米流体,实验研究了纳米流体横掠新型水滴形微针肋热沉的流动和传热特性．结果表明：不同体积分数下的纳米流体压降差别很小;相同体积流量下,与基液比较,纳米流体进出口压降略有增加,但增加并不明显;与纯水相比,由于表面活性剂的引入增加了流体粘度,相同流量下,纳米流体的压降稍大于纯水值,但最大差距不超过10％．粒子的体积份额对纳米流体对流换热系数影响较大．纳米粒子的存在对换热性能有明显提高,但过高的黏度对纳米流体的强化传热效果有一定的抑制作用．与去离子水相比,当银粒子体积分数达到0．012％后,纳米流体的综合效果才能逐渐体现．     

基于AUSMV算法的井筒气液两相流瞬态流动规律模拟研究

在深层油气藏钻进中,由于井筒与地层连通且安全密度窗口较窄,极易发生物质交换,导致溢流、漏失以及溢漏同存频发,进而引起井筒内的复杂多相流动。为了实现精确控压、确保井控安全,需要掌握各种工况条件下井筒多相流动规律。针对井筒内的复杂多相流动,基于漂移模型建立井筒气液两相流瞬态流动模型,并利用高计算精度的AUSMV格式进行求解。借助MATLAB软件,编程模拟气侵下井筒内的气液两相流动规律,分析气侵量、滑脱速度等参数对井底压力、井口套压、气体速度以及气体体积分数的影响。结果表明:气侵量越大,井底压力、井口套压越大,气体体积分数达到100%的速度越快,气体逆流现象越明显;滑脱速度越大,井底压力和井口套压达到稳定状态的时间越短,气体的运动速度越大,气体体积分数几乎不受滑脱速度的影响;流动参数对井口套压、井底压力和气体体积分数影响较小。该研究可以对精确计算关井后的相关压井参数起到一定的理论指导意义。     

高电场下弛豫铁电体的场致效应

弛豫铁电体在热释电、介电、电场调制微波器件和电致伸缩器件方面有着广泛的应用.这些应用均涉及电场的作用.因电场会导致极化强度增大,并连续地延伸到顺电相,从而产生了电场诱导效应.用弯曲近似法对极化强度在电场作用下随温度的连续变化做近似,得到了介电系数峰值在高场下随电场2/3次方的变化规律.与介电峰在电场作用下移动的实验结果基本一致.理论数值模拟发现:存在一个与热力学参量相关的极化温度系数,其值越大,场致介电移峰效应越小,且热释电系数越大;反之,如果场致介电移峰效应越大,电场调制微波器件的介电可调性及可调性的温度稳定性会越好.上述研究结果对掺杂改性研究微波器件的介电可调性和热释电性有一定的参考作用.     

表面凹坑阵列陷光结构的光学衍射特征研究

表面凹坑阵列结构具有良好的陷光特性,能有效地降低电池表面的光能反射和延长光在电池吸收层中的光程,因此在光伏领域,特别是在硅薄膜太阳能电池中具有良好的应用前景.本文采用理论分析与实验验证相结合的方法,对凹坑阵列陷光结构的光学衍射特征进行研究,并讨论了凹坑阵列结构的衍射效应对硅薄膜太阳能电池吸收特性的影响.研究结果发现,凹坑阵列陷光结构的深宽比越大,其衍射效率越好,越有利于光的均匀散射,越有利于电池对入射光的吸收和电池效率的提升.另外,凹坑阵列结构的衍射特性还与入射波的波长有关,入射波长越长,其衍射效果越好.本研究对于高效表面陷光阵列的设计以及高效衍射效率光栅的制备具有重要的参考价值.     

缓冲层生长压力对MOCVD GaN性能的影响

利用自制的在位监测系统, 研究了用金属有机物化学气相外延法(MOCVD)在蓝宝石衬底上生长GaN时, GaN低温缓冲层的生长压力对高温生长GaN外延层性能的影响规律. 在位监测曲线及扫描电子显微镜(SEM)分析结果表明, 缓冲层生长压力越大, GaN缓冲层退火后成核中心体积越小, 表面粗糙度越大, 高温生长GaN岛间合并延迟. X射线衍射(XRD)和光致发光谱(PL)测量结果表明, GaN缓冲层生长压力增大时外延的GaN结晶质量得到改善.     

采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中,开发了气热耦合数值计算方法,并对其进行了可靠性验证．对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测,评估其气动与传热特性．针对网络分析结果,提出3种改进措施,即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构．通过全三维燃气．固体叶片一冷却气流耦合计算验证,指出改型设计降低了叶片表面最高温度,整体温度分布更加均匀,冷气入口参数匹配合理．结果表明,计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期．     

3MW海上风力发电机机舱热平衡设计

以3MW海上风力发电机为研究对象,在考察其机舱布置结构、主要部件散热情况及环境要求的基础上,对机舱进行了热平衡设计,建立了机舱热平衡方程;提出了舱内部件载荷、机舱内外对流换热系数、舱内正压维持新风量的计算方法;获得了射流冷却方式下的舱内热载荷变化特性;并研究了舱内外空气温度、速度、舱体表面灰度等因素对机舱热平衡的影响。研究工作对于大容量风力发电冷却系统的设计优化具有参考价值。     

纳米尺度下页岩基质中的页岩气渗流及渗吸特征

基于页岩基质的纳米尺度孔隙特征,分析了页岩气在纳米孔隙中渗流的扩散、滑脱和达西渗流等对页岩气流动流量的影响.压差作用下页岩气流量的特征研究表明:达西流动产生的流量与地层压力、压力梯度和渗透率成正比;扩散引发的流量与压力梯度成正比,与平均压力成反比,与渗透率无关;滑脱引发的流量与压力梯度、渗透率成正比,压力梯度和渗透率一定时,滑脱流量为定值,与地层平均压力无关.低压下,气体的扩散效应和滑脱效应明显,扩散产生的流量所占比例较大,高压下渗流以达西流为主;在整个从低压到高压的地层压力区间,在低压下由于扩散作用,总的页岩气有一定的流量,随着地层压力的增大扩散产生的流量减小,到一定值后随着达西流量的进一步增大,总流量随地层压力的增加而增大,说明页岩气生产中存在一个最低效生产的压力区域.水在页岩薄片上吸水过程近似分为三个阶段:(1)水在页岩薄片表面的快速吸附;(2)水在裂缝中较快速度的渗吸;(3)水沿着微裂缝的缓慢渗吸.为页岩气开发中的压裂水的反排特征研究提供了理论基础.     

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.     

页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法研究

页岩气藏多尺度孔隙介质发育、非均质性强,不同尺度介质流体运移机制复杂,明确多重介质流体跨尺度传质表征方法的适用范围对开展页岩气藏数值模拟研究具有重要意义.本文基于体积压裂改造页岩气藏储层多尺度介质分布特征及多尺度介质气体运移特性,以储层不同区域微小单元体为研究对象,分别建立离散介质、拟稳态窜流双重介质、瞬态窜流双重介质表征单元体模型,对比分析不同储层条件和裂缝参数时离散介质模型与不同窜流模式双重介质表征单元体模型内流体产量变化规律,得到页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法适用范围.研究结果表明:生产早期不同窜流模式对窜流量影响较大,多重介质渗透率相差越大,生产早期不同窜流模式得到的窜流量相差越大,窜流量差异持续时间越长;采用瞬态窜流或拟稳态窜流双重介质模型可以较为准确地描述干酪根有机质-无机基岩之间流体跨尺度传质规律;无机基岩-次生缝网流体跨尺度运移规律需要采用离散介质模型进行描述.离散缝网耦合干酪根-无机基岩双重介质模型可以比较精确描述体积改造页岩气藏流体运移规律,该模型对开展页岩气藏数值模拟器研究具有重要的理论意义.     

微轧制下高碳马氏体钢的超延展性与尺度效应

高碳淬火钢难以在室温下发生塑性变形,人们曾将此现象归因于成分(碳含量过高)和组织(马氏体塑性差),未考虑几何尺寸的影响.为此,本研究在室温下对厚度为400?m的9Si Cr淬火马氏体钢进行微轧制实验,发现微轧制下实验钢的塑性良好,延展率达200%以上,且硬度比淬火态提高了39%.本文对此新发现进行了研究.首先,负辊缝轧制使横向压应力增大,同时由于单位体积的接触表面积变大,而引起纵向压应力和垂直方向压应力同时增大,因而静水压力增加.这些因素有利于抑制轧件边裂、头部劈裂以及轧件内部缺陷生成和扩展,致使塑性改善.这一现象可以用传统理论进行解释,属于第一类尺度效应.其次,由于位错和孔洞一旦到达试样表面就会释放和消失,所以轧件的比表面积越大对提高塑性越有利.因此,比表面积充分大的薄轧件已不能视为均匀连续、各向同性的理想材料,其表面效应属于第二类尺度效应.实验结果表明:长期以来认为高碳马氏体组织塑性差的认识在薄轧件轧制中受到挑战,需要同时考虑两种尺度效应,才能深入认识其力学表现和物理本质.     

页岩纳米孔吸附气表面扩散机理和数学模型

页岩富含纳米孔,且吸附气占总气量可高达85%,因此页岩气表面扩散对气体传输具有重要的作用.页岩气藏压力高,页岩表面能量非均质性强,吸附气非等温解吸附等,均加剧了吸附气表面扩散模拟的复杂性.基于低压条件下推导的Hwang模型,考虑高压条件下吸附气覆盖度的影响,建立了页岩吸附气表面扩散模型.同时,该模型还考虑了页岩表面能量非均质性、等量吸附热和非等温解吸附对表面扩散的影响.研究表明:1)表面扩散系数随压力的增大而增大,随温度的升高而增大,随表面活化能的减小而增大,随气体分子量的减小而增大;2)黏性流动、努森扩散和表面扩散对气体传输的贡献是此消彼长的,主要受孔隙尺度和压力的控制;3)表面扩散在微孔(半径2 nm)中,对气体传输贡献大,可高达92.95%;在宏孔(半径50 nm)中,贡献低于4.39%,可忽略;在介孔(2半径50 nm)中,表面扩散的贡献介于微孔和宏孔之间.     

热光伏技术在飞行器再入过程中的应用

提出了利用热光伏技术将飞行器再入过程中产生的巨大气动热转化为电能的思路,给出了再入TPV 系统的初步构想, 并就气动热导入方式及光谱过滤器和选择性辐射表面对改善系统性能的作用进行了分析. 结果表明以SiC 作为导热构件较烧蚀材料能够更好地向系统传递气动热量, 提高电能输出, 但同时加重了系统冷却负荷; 采用光谱过滤器和选择性发射表面会使系统电能输出有所下降, 但可显著降低系统冷却负荷.     

静电场调制椭球形细胞膜电位和一侧离子浓度的研究

在对静电场与细胞相互作用建模和跨膜电位计算的基础上,基于能斯托公式和玻尔兹曼公式,给出静电场对椭球细胞离子跨膜迁移量影响的分析方法,并就静电场对不同类型椭球细胞离子跨膜迁移量变化的影响进行数值分析.研究发现:静电场在细胞表面不同位置引起的跨膜离子迁移量不同;随外场方向角α、椭球半轴比值ρ增加,静电场引起的细胞膜一侧离子浓度相对无外场作用,其比值的最大值逐渐减少,最大值对应位置θ_(max)逐渐增加;在外场强度、细胞表面积或体积一定条件下,ρ值越大,则对应的θ_(max)值越大;对于含乘性白噪声的静电场,场强度越大、信噪比越小,则离子浓度相对变化量越大.电场影响椭球细胞离子的跨膜迁移量引起细胞介质极化.     

制备血管支架表面涂层超声波喷涂工艺研究

本文从理论推导、流体力学仿真、喷雾粒径检测分析以及支架喷涂试验四个方面研究超声波喷涂技术并成功应用于血管支架喷涂工艺的优化.首先基于超声波雾化物理模型推导建立超声雾化粒径方程,其次利用计算流体动力学模拟超声雾化微观过程,定义超声雾化过程的三种雾化模式：亚雾化模式、理想雾化模式以及射流雾化模式,并建立了超声雾化临界振幅方程以及理想雾化模式下的雾化体积和功率方程.然后设计超声喷雾粒径检测实验,研究功率、气体压力、表面张力等工艺参数对雾化粒径的影响,结果表明超声波喷雾运动过程中少量粒子碰撞合并,但喷雾质量总体稳定,粒径尺寸在10m左右.在粒径尺寸分布方面,利用Rosin-Rammler分布拟合超声喷雾粒径均匀度指数在7.11～11.48之间,相比传统喷雾技术雾化均匀性、可控性大大提高.最后,在上述研究基础上制定血管支架超声喷涂工艺参数并进行了优化,消除了常见的血管支架涂层表面各种缺陷,为制备性能优良的血管支架表面涂层提供了理论和技术支撑.     

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.     

低温/宽温域下自润滑关节轴承摩擦学性能研究

针对我国大型低温风洞设计建设中关键运动执行机构的运动精度和稳定性需求,开展了低温/宽温域环境下,自润滑关节轴承的摩擦磨损规律和模拟服役性能研究.自主研制了低温关节轴承试验机和适用于低温工况的自润滑关节轴承,开展了113～323 K宽温域范围内的摩擦磨损试验,研究了温度、载荷对关节轴承整体摩擦系数的影响规律,并开展了关节轴承的低温耐久性试验.研究结果表明:随着环境温度的降低,关节轴承的动、静摩擦系数均呈现先上升后平稳或下降的趋势,反映了热激活效应和自润滑材料理化特性对其摩擦性能的综合影响规律;温度高于153 K时,较高载荷有利于摩擦转移膜的形成,从而导致摩擦系数降低,然而当温度低于153 K时,几乎难以形成转移膜,载荷越大磨损越严重,因此摩擦系数在高载荷下反而更大;经过113 K低温下30000摆次试验,关节轴承的动摩擦系数略有升高,但仍低于0.18;轴承磨损量不大于0.08 mm,外圈内表面上织物磨损均匀,并在内圈表面形成转移膜以起到润滑作用.     

低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的结晶度及其影响因素分析

借助非等温结晶动力学理论模型,较为系统地研究了低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的温度和结晶度分布.研究结果表明,微液滴在经历相变温区时,呈现出表面区域结晶度最高,中间次之,中心区域最低的变化规律;且浓度越高,温度和结晶度分布越不均匀,如50%甘油微滴表面区域与中心区域温差为8K,但前者的结晶度大约是后者的41倍,而对于微水滴,两个区域的温差为1.10K,结晶度则相差6倍;微液滴体积对低浓度溶液的最终结晶度没有影响,只是延长了其冻结相变持续时间,如2和8μL20%甘油的相变时间分别约为14.48和19.82s;而对于高浓度溶液,没有明显的冻结相变温区,但呈现出体积越大,结晶度越高的变化规律,如2和8μL50%甘油的结晶度分别约为0.29×10~(-6)和0.80×10~(-6);随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度会明显降低(水为273K,20%甘油为250K,50%甘油为225K,Vs55为158K),其最终结晶度也会显著降低,如20%和50%甘油溶液的最终结晶度分别为1和5.61×10~(-7),而Vs55仅有5.70×10~(-16).