高强度聚焦超声辐照离体牛肝组织后回声与空化、沸腾的关系

目的 高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)辐照离体组织过程中焦域处空化、沸腾与回声强度的关系.方法 采用不同的声功率(50 W、100W、150 W、200 W、250W)辐照新鲜离体牛肝组织5s,辐照深度30 mm.在辐照过程中,使用热电偶组成的测温系统对焦域处的温升进行实时采集.5 MHz接收换能器和Labview软件组成的被动空化检测(passive cavitation detection,PCD)系统对焦域处空化信号进行采集,在Labview平台上对空化信号进行定性和定量分析,观察空化信号随时间的变化规律,并计算累积空化剂量.对比HIFU辐照前后的B超图像,计算焦域处的灰度差值.结果 声功率为50 W和100 W的HIFU辐照时,空化和沸腾均未发生,B超图像上未出现回声变化;声功率150W的HIFU辐照时,空化发生(1/2分谐波和宽带噪声)但无沸腾,累积空化剂量和靶区灰度差值增大,辐照后即刻出现弱回声;声功率200 W的HIFU辐照时,空化和沸腾均发生,累积空化剂量和靶区灰度差值继续增大,辐照后即刻观察到强回声出现;声功率250W的HIFU辐照时,空化和沸腾均发生,累积空化剂量和靶区灰度差值略有增大,观察到“明亮”的强回声出现.除声功率为50 W的HIFU辐照后未见凝固性坏死产生,其余各声功率组均产生了凝固性坏死.结论 空化在HIFU辐照后即刻回声的出现中有贡献,但强回声的出现来自于沸腾.     

空化螺旋桨非定常粘性流场特征分析

基于粘性多相流理论,在均匀入流条件下,利用混合网格和滑动网格数值求解非定常纳维-斯托克斯（N-S）方程和空泡动力学方程来预报螺旋桨尾流场压力、速度和蒸汽体积分数.螺旋桨片空化、毂涡空化、尾流场梢涡空化和压力等的数值计算结果与相关实验一致.预报的尾流场压力信号叶频和轴频等特征与螺旋桨模型及设定参数一致.叶频信号的衰减速度随着进速系数和空化数的减小而增加.梢涡空化对近尾流场压力波动具有重要作用.     

双吸离心泵空化特性的试验及数值模拟

试验测量了一台双吸离心泵的能量特性和空化特性.基于RNG k-ε湍流模型和质量输运空化模型,探讨了质量输运空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,结果发现凝结项经验系数主要影响叶轮内空泡长度.在此基础上,修正了双吸离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数的取值,计算得到的双吸离心泵扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型和方法的准确性和可靠性.双吸离心泵空化流动数值模拟结果表明:随着泵进口压力的降低,空化首先在叶片吸力面进口附近的低压区发生,之后沿叶片吸力面往叶轮流道中部发展,并向叶片压力面扩散;受双吸离心泵蜗壳非对称结构的影响,叶轮内不同流道的空化区域分布不均匀.     

超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究

利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空蚀特性进行了实验研究,重点研究了凹坑的驻气特性,微泡散逸特性以及空泡对蚀坑发展过程的影响.对直径为1mm的玻璃凹坑进行了空化实验,分别对金属铝和金属铜试件进行了为期60min和240min的空蚀实验,发现硬壁凹坑开始驻留游移空泡是凹坑进入空蚀加速阶段的标志.凹坑倾向于会聚较大的游移空泡并从驻留空泡顶端散逸微泡,这使凹坑成为一个空化核的发生源.在确定的实验条件下,蚀坑直径存在一个确定的稳定值,达到这个稳定值之后蚀坑直径不再增加.     

文氏管非定常空化流动可视化实验研究

结合高速摄影和脉动压力测量技术,在模拟发动机供应系统动力学边界条件的基础上,开展了某型文氏管非定常空化流动可视化实验研究.获得了空化区详细的内部结构和脉动压力数据,分析了空化区形态的变化和非定常特性.结果表明:随着空化数的降低,文氏管流场从初生空化、膜状空化,过渡至云状空化.在云状空化阶段,文氏管空化流场呈现出复杂的动态过程,空化区可以划分为附着型环向气泡膜和脱落型气泡云.附着型气泡膜作为一个整体,相对较为稳定,内部的压力波动很小.脱落型气泡云上存在大块云团的断裂、脱落和溃灭过程,产生明显的脉动压力峰,脉动压力在频域上表现为无固定频率的宽频带.空化区下游存在局部的高速逆向射流,驱动附着型气泡膜长度不断缩短和伸长,使得气泡膜的长度沿周向也出现明显的不一致.在云状空化阶段,文氏管下游系统出现了290～400 Hz范围的系统性自激振荡.     

新型配流副液压变压器研究

提出一种新型液压变压器配流副结构以扩展其输出压力,建立了恒压网络实验系统以测试液压变压器的性能．通过仿真和实验研究来探讨液压变压器的输出压力、排量特性及速度稳定性．研究结果表明：所设计的液压变压器能够实现压力调节功能,输出压力由配流盘控制角度决定同时受负载的影响,负载压力与油源压力之比的变化范围大致为0-1.2.液压变压器是一个变排量液压元件,排量由配流盘的控制角度决定,而不受负载的影响．液压变压器的速度稳定性随着配流盘控制角度的增加而提高,当配流盘控制角度小于15°时,液压变压器存在运动死区．液压变压器的高瞬时驱动扭矩波动是其速度稳定性差的主要原因．研究结果将有助于进一步提高液压变压器的性能．     

温度、应力对含瓦斯煤渗透特性影响的实验研究

采用自主研发的温控三轴瓦斯渗透实验装置,以深部高地温矿井煤样为对象,研究了温度、围压和瓦斯压力等参数对煤体渗透特性的影响。采用控制变量法分析了不同条件下渗透率随孔隙压力、围压和温度的变化。实验温度范围30℃~50℃,应力3~5 MPa,瓦斯压力1~4.5 MPa。研究结果表明:在相同围压条件下,煤样渗透率随孔隙压力增大先减小后增大,变化曲线呈二次函数关系;实验温度范围内,煤样渗透率随着温度升高逐渐下降;渗透率随围压增大逐渐减小。     

在线焊接管道设计压力的影响因素

提出了预测在线焊接管道设计压力及烧穿的方法. 运用有限元法对不同参数下在线焊接时的温度场进行了数值模拟, 内部介质流动对焊接温度场的影响通过确定介质与管壁间的换热系数来考虑, 并根据温度计算结果, 获得了管道的剩余强度因子和设计压力, 进而判定管壁是否烧穿. 研究表明: 在线焊接管道的设计压力随着焊接热输入的增大而降低, 当热输入增大到一定程度时, 曲线趋于平缓; 随着流速的增大, 在线焊接管道的剩余强度因子及所能承受的设计压力呈上升趋势, 且在一定范围内增大明显, 故应充分利用该流速变化范围的特点以确定最佳施工条件; 剩余强度因子随着壁厚的增加而升高, 当壁厚增大到一定程度时, 在线焊接管道的剩余强度因子增大速度减缓, 此后继续增加壁厚, 则对材料的利用率有所下降. 根据设计压力与各参数的关系曲线可以获得安全操作条件.     

波传播角对合声波与外辐射带电子回旋共振作用的影响

采用传播角高斯分布，考虑了n为0到±5阶的共振贡献，分析了传播角O（X=tanO）对L=4．5处向阳侧和背阳侧合声波驱动两种典型能量0．1和1．0MeV电子扩散系数的影响．在投掷角αe〈10°，对于0．1和1．0MeV电子在向阳侧与背阳侧，5阶（-2，-1，0，1，2阶）扩散系数均随峰值增大而减小，这样导致总扩散系数随峰值增大而减小．当投掷角αe〈10°时，对于向阳侧1．0MeV以及向阳侧和背阳侧0．1MeV电子，正阶扩散系数均小于同阶负阶扩散系数，-2，1，2阶扩散系数很小，而占主导地位的-1阶扩散系数随峰值增大而不变，导致总扩散系数基本保持不变．但对于背阳侧1．0MeV电子，-2，1，2阶扩散系数贡献大于-1阶贡献，且随峰值增大而增大，导致总扩散系数随峰值增大而增大．结果表明波的传播角对合声波与外辐射带电子回旋共振的定量分析起着重要作用．     

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.     

一种非离子表面活性剂水溶液的管流减阻与流变特性

为开发基于环境友好型的添加剂紊流减阻输水技术,采用气驱流体阻力测试装置对非离子表面活性剂ODMAO（Oleyldimethylamineoxide）稀薄水溶液在5mm圆管内的减阻特性以及采用锥板流变仪对其流变特性进行了实验研究．结果表明,ODMAO水溶液在质量分数为4×10^-4时开始呈现明显减阻,最大减阻率对应的临界雷诺数随质量分数及温度的提高而增大,在直管段最大减阻率可达70％．ODMAO水溶液的剪切粘度在低剪切速率区域表现为牛顿流体特性,在大于某一临界剪切粘度后呈现先切稠后切稀的非牛顿流变特性．这种剪切粘度随剪切速率的依存特性起因于胶束聚合结构随剪切速率的不同演变．剪切应力的松弛测试结果表明,由剪切诱导的流变结构“SIS”（Shear-Induced Structure）的剪切应力松弛特性可用2阶Maxwell模型表述．剪切应力的尾阶松弛时间远小于减阻阳离子表面活性剂,这表明ODMAO水溶液的减阻并不像阳离子表面活性剂那样需要很强的粘弹性．     

超临界CO2池式换热实验与数值模拟研究

超临界传热已进行了广泛研究,但对其现象及机理的认识仍不充分,本文研究了超临界二氧化碳(supercritical,sCO₂)池式传热.实验以长度为22 mm和直径为70 μm铂丝为加热和测温元件,容器压力为8～10 MPa,加热丝热流密度范围为0～1800 kW/m²,显著高于文献中的参数范围.采用变物性层流模型进行流固耦合数值模拟,加热丝附近采用了多尺度网格技术,数值模拟与实验结果吻合良好.发现传热系数h随热流密度q_w的变化呈S形曲线,将h-q_w曲线划分成三个区域.在类临界温度前,因瑞利数Ra随q_w增大而增大,h随q_w增大而增大;当铂丝温度开始超过类临界温度后,由于超临界流体回流效应增强,h继续增大直到获得最大值.随后,由于近壁区类气膜热阻增大,h随q_w增大而减小直到获得极小值.在超过h极小值点后,由于高温下超临界流体导热系数随温度增大而增大,随q_w增大h回复到增大趋势.本文获得了全参数范围内传热系数与热流密度...     

低功率HIFU辐照离体牛肝后强回声出现的原因

目的 研究低功率高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)辐照离体牛肝组织后即刻B超声像图中强回声出现的原因.方法 磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)引导的HIFU在50W声功率下分别辐照脱气后的离体牛肝组织10s,20 s,30 s…90 s(实际辐照时间),采用辐照10 s停1 s的方式.在辐照过程中,使用MRI的GRE_TMap序列采集HIFU焦域处的温度,并使用被动空化检测( Passive Cavitation Detection,PCD)系统采集来自焦域的声信号,在LabVIEW开发平台上编程对该信号进行快速傅里叶变换得到其频谱,以判断是否出现空化特征信号.辐照结束后,特离体牛肝组织切成1～2 mm厚的薄片,找到凝固性坏死的最大面,置于加热至37℃的TTC(2,3,5 -氯化三苯基四氮唑)染色剂中染色2min后取出照相.结果 HIFU以辐照10s停1s的方式辐照离体牛肝组织9次后B超声像图中出现强回声,焦域处的温度升高至89.46±2.48℃,PCD系统所采信号的频 谱中未见空化特征信号.切开并染色后的离体牛肝组织在第2次10s的辐照后就有凝固性坏死出现.结论 未达空化阈值的低功率HIFU照离体牛肝组织后即刻B超声像图中强回声出现的原因是焦域处产生的沸腾泡.     

电容压力微传感器数值分析

用伪谱算法对电容压力微传感器极板膜在均匀载荷条件下的弯曲行为作了数值模拟, 叙述了伪谱算法原理, 并将其用于微传感器的载荷与电容关系分析. 对于非接触式电容压力微传感器, 只有在小载荷(引起的最大垂向位移甚小于极板膜厚度)的条件下, 才可以忽略作用于极板膜的中平面的张力, 此时, 微传感器的电容与载荷之间呈线性关系. 当进一步增加载荷时, 两者的关系呈非线性, 电容随载荷的增大迅速增加. 对于接触式电容压力微传感器, 给出了接触半径的计算公式, 数值计算了载荷与电容关系曲线, 为压力微传感器分析和设计提供了理论依据.     

气体压强对超音速气雾化中气体流场的影响

气体雾化技术可以制备一系列高性能超细球形金属粉末．利用计算流体动力学软件Fluent模拟了雾化气体压强（P0）对超音速气雾化喷嘴气体流场的影响,以及对流场中心线上压强、速度等变化的影响规律．研究结果表明：随着P0的增大,流场内气流达到的最大速度逐渐增加;当雾化气体压强较小时,抽吸压强（△P）随雾化气体压强增大而减小;而当雾化气体压强达到某一临界值时,△P才随雾化气体压强增大而增大;抽吸压强的变化与雾化室中心线上滞止压强和马赫碟位置的变化相一致,滞点位置对抽吸压强的作用不大：导液管顶端径向分布的静压强存在一个压强梯度,并且随着雾化气体压强的增加而增大．     

基于不定场流动及动力响应分析的水轮机运行区划分

水轮发电机组运行状态随运行工况不同而存在明显的差别. 研究了万家寨水电站两种型号的大型混流式机组与水口电站同一种型号两台大型轴流转桨式机组的运行性能和运行区划分方法; 发现影响万家寨机组运行稳定性的最主要因素为尾水管内涡带引起的水压力脉动, 影响水口水电站机组安全运行的有水力脉动引起的活塞杆动应力、桨叶动应力及转轮水推力等; 综合分析在运转特性曲线上绘制的影响机组安全运行参数的分布云图, 绘出水轮发电机组的安全运行区、过渡运行区和禁止运行区.     

一种新型消力池布置形式——多股水平淹没射流

在对消能机理较深认识基础上提出了一种既有高消能率,又能明显减小消力池底板冲击压力及临底流速的新型消力池布置形式,它明显不同于底流消能．这种新的布置形式有较高消能率的原因是人为制造了更多的剪切消能区;能明显减小消力池底板冲击压力及临底流速的原因是在合理的体形下,能保证入池水流以近似水平的方向,以射流的形式在消力池内运动,避免了高速水流直接冲刷消力池底板．通过大量的模型试验研究后发现,水平方向窄而垂直方向厚的入射水流适应水位变化的稳定性较好,能始终保持水平淹没射流状态,宽而扁的水舌适应水位变化的稳定性较差,容易随下游水位的升高或降低而潜底或上漂．采用数值模拟的方法对这种新型消力池的水力特性进行了较为深入的研究,消力池水面线、临底流速以及底板压力等的计算结果与试验结果符合较好,结合模型试验及数值模拟,对这种消力池的流态进行了较为详细的分析研究,得到了不同情况下比较详细的流场特性,与实验现象极为吻合．     

倾斜角度和动载对管内流动影响

本文实验研究了动载作用下不同倾斜角度的管内单相流、气液混合两相流以及沸腾汽液两相流的压力变化特性。通过对实验数据的处理与分析,考察了动载和倾斜角度对实验管段进出口压力的影响,获得了试验管内流体的压力变化特性。     

气体环境下双壁碳管振荡器的能量耗散

采用分子动力学模拟方法,研究了多壁碳纳米管振荡器在气体环境下的振动,讨论了气体密度、环境温度对碳管间摩擦力及振荡频率的影响．模拟结果表明,管间摩擦力随气体密度的增大及环境温度的升高而增大．气体分子的碰撞将导致碳管的品格变形,从而极大改变碳管间的初始理想匹配状态,导致摩擦力增大;随着温度的升高,碳管原子热振动振幅增大和高能量声子的激发,使得碳管振动的机械能更容易转化为热能而被耗散,导致摩擦力增大．气体密度的增大和环境温度的升高,都将导致振幅衰减加快,振荡频率增大．通过与真空状态下的谐振子相比,气体分子与管壁的碰撞是造成能量耗散的一个主要原因,气体环境的阻尼可能是导致碳管谐振子在工程实际中失效的主要原因,其次,环境温度对谐振子也具有重要的影响,低温工作条件对谐振子是有利的．     

用Auricchio&Sacco本构模型分析形状记忆合金的力学性能

为研究形状记忆合金材料的超弹性特征,用AuricchioSacco本构模型对形状记忆合金材料的力学特性进行数值模拟研究。结果表明,升高温度会引起四个相的变应力增高,并造成屈服平台上升;屈服平台部分相的应变增长率随温度升高而降低,但变化幅度却较小;随应变幅值的增大,形状记忆合金的相变应力线性增大,屈服平台部分相的应变量随之增加,形状记忆合金的耗能能力和等效阻尼比也明显增大。