含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下,一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷,氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质,而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合,但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用,当初始孔洞数密度达到一定临界值时,材料内部没有新的孔洞成核,因此,层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征,给出了这一临界值的计算方法,并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时,在完善孔洞增长(void growth, VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上,借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果,对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下,当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时,需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响;反之,可以采用简单的层裂损伤模型,不需要计算孔洞成核,但由于增长孔洞之间的相互影响,损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为。因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应，从而在材料内部形成氦泡，进而影响金属材料的宏观力学行为。因此，开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题，故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结，主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上，展望了该领域中存在的主要科学问题。     

含脱层损伤复合材料层合梁的冲击动力屈曲

针对含初始缺陷和脱层损伤的复合材料层合梁的轴向冲击动力屈曲问题进行了分析。基于Hamilton原理导出了考虑初始缺陷、轴向和横向惯性、横向剪切变形以及转动惯性影响时含脱层损伤复合材料梁的非线性动力屈曲控制方程;基于B-R准则,采用有限差分方法求解了受轴向冲击载荷作用下含脱层损伤复合材料梁的动力屈曲问题;讨论了冲击速度、初始几何缺陷、铺层角度以及脱层长度等因素对复合材料层合梁动力屈曲的影响。     

FCC辐照金属铜材料中氦泡平衡内压的分子模拟及其尺度效应

氦泡内的氦密度及其内压对含氦泡辐照材料的力学性能具有重要影响,本文采用分子模拟方法系统地研究了面心立方金属铜材料内氦泡平衡内压及其尺度效应、温度效应和引起的应力场。基于能量最小原理与应力平衡准则,提出了确定平衡内压的方法,研究发现：1）采用能量最低原理与应力平衡准则所获得的平衡内压是自洽的;2）存在一个临界尺度,当氦泡孔径小于该临界尺度时,平衡内压出现反常尺度效应,即当氦泡孔径小于3nm时,平衡内压并不随孔径减小而明显增大,甚至出现减小的异常现象;3）传统采用基于球形孔洞的理论公式估算严重高估了氦泡平衡内压,引起的误差随氦泡孔径减小而显著增大,如孔径为3nm时,误差超过63%;4）由于纳米孔洞多面体特性和材料的各向异性,即使在平衡内压条件下,基体铜材料内仍存在一定的应力分布,该应力体现出显著的局域特征,即随着距孔洞中心距离的增加而快速下降。此外,本文还提出采用时间平均叠加区域平均来减小热涨落对应力场的影响,取得了较好的效果。     

气动载荷下防热材料剥离颗粒输运特性的直接数值模拟研究

高超声速飞行器防热材料在气动载荷下发生机械剥蚀,进而影响绕流流态、气动性能、热载荷等,相关颗粒剥离动力学是高超声速热防护系统设计及防热材料体系评价中的共性基础性科学问题.研究通过近壁流动量纲分析,将烧蚀颗粒剥离过程模化为单个圆球惯性烧蚀颗粒在Couette流动中的动力学问题,并采用颗粒解析的直接数值模拟方法开展数值研究,获得了烧蚀颗粒关键特征参量对颗粒输运动力学的影响规律.研究发现,随着颗粒/流体密度比ρr越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平和法向输运速度均减小;随着颗粒粒径d p越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平输运速度减小,但是,法向输运速度和位移均因大颗粒受到更大的Saffman升力而增大.此外,烧蚀颗粒法向位移远小于水平位移,颗粒以水平输运为主.本研究最终建立了颗粒启动速度归一化表达式,发现归一化颗粒启动速度是颗粒和流体惯性的函数,即颗粒水平输运速度等于流体微团或中性浮力颗粒的速度减去惯性修正项.研究结果为烧蚀颗粒调制边界层作用机理研究提供支撑.     

预制缺陷的K9玻璃层裂特性研究

层裂问题的核心内容是内部微细观损伤成核及演化规律研究. 利用激光内刻方法, 在K9玻璃样品内部预制相互贯通的初始损伤, 结合火炮加载平板实验和多点DPS测试获得样品自由面粒子速度, 以研究材料内部损伤的动态实时演化过程. 通过所获得的样品自由面粒子速度图像, 分析了层裂振荡周期、未层裂信号和层裂强度等实验现象, 为材料的动态损伤演化过程提供了一些新的认识.      

FCC辐照金属铜材料中氦泡平衡内压的分子模拟及其尺度效应

氦泡内的氦密度及其内压对含氦泡辐照材料的力学性能具有重要影响，本文采用分子模拟方法系统地研究了面心立方金属铜材料内氦泡平衡内压及其尺度效应、温度效应和引起的应力场。基于能量最小原理与应力平衡准则，提出了确定平衡内压的方法，研究发现：1）采用能量最低原理与应力平衡准则所获得的平衡内压是自洽的；2）存在一个临界尺度，当氦泡孔径小于该临界尺度时，平衡内压出现反常尺度效应，即当氦泡孔径小于3nm时，平衡内压并不随孔径减小而明显增大，甚至出现减小的异常现象；3）传统采用基于球形孔洞的理论公式估算严重高估了氦泡平衡内压，引起的误差随氦泡孔径减小而显著增大，如孔径为3nm时，误差超过63%；4）由于纳米孔洞多面体特性和材料的各向异性，即使在平衡内压条件下，基体铜材料内仍存在一定的应力分布，该应力体现出显著的局域特征，即随着距孔洞中心距离的增加而快速下降。此外，本文还提出采用时间平均叠加区域平均来减小热涨落对应力场的影响，取得了较好的效果。     

基于CT扫描的环氧树脂基混凝土裂缝观测与冲击损伤演化研究

环氧树脂基混凝土是一种新型路面铺装材料。本文估算了道路使用过程发生"跳车"现象时货车车轮对路面产生的冲击荷载,根据计算结果,利用落锤冲击试验机对含有不同程度初始损伤的环氧树脂基混凝土试件进行多次冲击试验,研究其冲击疲劳现象。为了准确描述环氧树脂基混凝土的初始损伤,采用CT(计算机断层)扫描技术重构了试件的立体图像,对其中的内部裂缝进行了统计,建立了初始损伤裂缝体积占试件体积的百分比与基于材料弹性模量衰减的损伤变量之间的关系。通过追踪经受一定次数冲击后试件的弹性模量,分析了不同程度初始损伤下环氧树脂基混凝土的冲击损伤随冲击次数的变化规律;结合多次冲击荷载下环氧树脂基混凝土弹性模量的衰减,研究了初始损伤对环氧树脂基混凝土冲击疲劳过程中损伤演化规律的影响。     

强动载作用下孔洞汇合对延性金属层裂损伤演化过程的影响

针对强动载作用下延性金属的层裂问题,在分析孔洞之间几何关联的基础上,定义了一个新的耦合损伤及孔洞几何信息的孔洞汇合判定方法,同时,基于能量守恒原理,解析了孔洞汇合对损伤快速增长影响的物理机理.通过分析数值计算结果和对比相关文献的实验可知:孔洞汇合后不仅引起损伤增长,而且导致了损伤材料内部微孔洞数目的减少、孔洞平均尺寸的增加。     

均匀电场中气泡上升特性的实验研究

电场中的气泡对于强化传热有显著的作用, 对于电场中气泡动力学特性的研究对增强换热器效率, 提高能源利用率有重要意义. 为了获得外加电场作用下气泡的动力学特性, 设计与搭建了可视化实验平台. 采用50 kV高压直流电源构建均匀电场, 高清摄像机拍摄实验图像. 引入电场强度、气泡体积与溶液介电常数作为变量, 探究其对于气泡动力学特性的影响. 观测了竖直与水平均匀电场中气泡的上升过程, 分析了不同变量下气泡变形状况与上升速度的变化. 引入气泡长宽比L/D用于表示气泡拉伸变形程度, 截取单个气泡上升过程分时段图像展示形态变化过程. 研究结果表明, 气泡沿电场方向伸长, 且电场强度越大, 变形越明显; 竖直电场中气泡伸长导致上升速度增大, 而水平电场中气泡上升速度减小. 气泡尺寸增大, 浮升力作用增强, 气泡上升速度增大. 溶液介电常数增加, 电场力作用明显增加, 气泡变形更加明显.      

Rising behavior of single bubble in infinite stagnant non-Newtonian liquids

This work is an experimental study of the rising behavior of single air bubbles in infinite stagnant non-Newtonian liquids. Aqueous solutions of carboxymethyl cellulose (CMC) are selected to study the effect of rheological properties. The high speed photography is employed to record the bubble motion in CMC solutions. The bubble size, rising trajectory, bubble shape and velocities are determined by digital image processing technique. As expected, the rheological properties have great influence on the rising behavior of single bubble. In the less concentrated CMC solutions, the bubble rising process can be divided into three stages according to spatial evolution of bubble shape. The deformation changes the trajectories of rising bubbles and bubble hydrodynamics. As the solution concentration increases, the transitional stage gradually disappears. In the most concentrated CMC solution, the first continuous shape flattening stage is directly followed by a rising process with bubble shape basically constant, the rectilinear path and constant rising velocity. Dimensional analysis is performed to formulate a general dimensionless correlation for the deformation and motion of bubbles in infinite liquids by considering the rheological properties.     

舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果

为研究水下爆炸气泡载荷对船舶局部结构的毁伤效果,设计建造了实尺度舱段模型,并进行水下 爆炸实验,测量了水中压力、气泡脉动周期、舱段外板结构的动应变与塑性变形。分析了不同冲击因子作用下 舱段结构的动态响应,并结合水中压力测量结果,探讨了气泡射流的成因。在此基础之上,分析了气泡射流载 荷的影响范围以及外板在不同载荷作用下的毁伤模式。实验结果表明,相比冲击波载荷,在某些情况下射流 冲击载荷引起的结构响应更剧烈,毁伤效果更严重,因此在中近场水下爆炸作用下,气泡射流冲击载荷对船体 结构的影响不能忽视。     

Modulation of homogeneous turbulence seeded with finite size bubbles or particles

The dynamics of homogeneous, isotropic turbulence seeded with finite sized particles or bubbles is investigated in a series of numerical simulations, using the force-coupling method for the particle phase and low wavenumber forcing of the flow to sustain the turbulence. Results are given on the modulation of the turbulence due to massless bubbles, neutrally buoyant particles and inertial particles of specific density 1.4 at volumetric concentrations of 6%. Buoyancy forces due to gravity are excluded to emphasize finite size and inertial effects for the bubbles or particles and their interactions with the turbulence. Besides observing the classical entrapment of bubbles and the expulsion of inertial particles by vortex structures, we analyze the Lagrangian statistics for the velocity and acceleration of the dispersed phase. The turbulent fluctuations are damped at mid-range wavenumbers by the bubbles or particles while the small-scale kinetic energy is significantly enhanced. Unexpectedly, the modulation of turbulence depends only slightly on the dispersion characteristics (bubble entrapment in vortices or inertial sweeping of the solid particles) but is closely related to the stresslet component (finite size effect) of the flow disturbances. The pivoting wavenumber characterizing the transition from damped to enhanced energy content is shown to vary with the size of the bubbles or particles. The spectrum for the energy transfer by the particle phase is examined and the possibility of representing this, at large scales, through an additional effective viscosity is discussed.     

Effects of bubble size on heat transfer enhancement by sub-millimeter bubbles for laminar natural convection along a vertical plate

Injection of sub-millimeter bubbles is considered a promising technique for enhancing natural convection heat transfer for liquids. So far, we have experimentally investigated heat transfer characteristics of laminar natural convection flows with sub-millimeter bubbles. However, the effects of the bubble size on the heat transfer have not yet been understood. The purpose of this study is to clarify the effects of the bubble size on the heat transfer enhancement for the laminar natural convection of water along a vertical heated plate with uniform heat flux. Temperature and velocity measurements, in which thermocouples and a particle tracking velocimetry technique are, respectively used, are conducted to investigate heat transfer and flow characteristics for different bubble sizes. Moreover, two-dimensional numerical simulations are performed to comprehensively understand the effects of bubble injection on the flow near the heated plate. The result shows that the ratio of the heat transfer coefficient with sub-millimeter-bubble injection to that without injection ranges from 1.3 to 2.2. The result also shows that for a constant bubble flow rate, the heat transfer coefficient ratio increases with a decrease in the mean bubble diameter. It is expected from our estimation based on both experimental data and simulation results that this increase results from an increase in the advection effect due to bubbles.     

晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸（60、100、500 μm）的高纯铝板材,利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度,在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析,讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示:（1）晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值,在低应力条件下,层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系,而在高应力条件下,晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响;（2）随着晶粒尺寸的增大,靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大,但数量显著减少,在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象;（3）随着晶粒尺寸的增大,层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变,且在断口上观察到少量随机分布的小圆球,归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。