超弹性球体入水过程空泡演化及球体变形实验

超弹性材料是工程实际中常用的材料,具有很强的非线性力学性能.将超弹性材料应用于入水问题是一个新的跨学科研究方向.与传统的刚性球体入水现象不同,超弹性球体入水后极易发生变形.为了探究该大变形的入水流固耦合问题,本文采用高速摄像方法,对超弹性球体垂直入水问题开展实验研究.基于实验结果,对比分析了球体材料属性和入水冲击条件对入水空泡流动及球体变形行为的影响.实验结果表明,超弹性球体入水后产生嵌套空泡现象的条件是需要足够大的入水冲击条件和小的材料剪切模量.嵌套空泡产生和保持的时间与球体的剪切模量和直径有关.超弹性球体的入水位移及其形成空泡的长度随入水冲击速度和剪切模量的增大而增大,却随球体直径的增大而减小.入水冲击速度的增加只会加剧球体的变形程度,而不影响嵌套空泡的产生时刻.同时,本文对球体的变形行为随弗劳德数和剪切模量与水动力之比的变化特性进行了描述与研究.     

圆柱体低速入水空泡试验研究

针对入水空泡生成机理和发展过程, 以及影响入水空泡发展的复杂因素等开展入水试验研究. 通过垂直和倾斜两种方式入水试验研究, 分析了入水过程中的一系列流动现象, 以及空泡的生成、 发展和闭合, 同时通过对比试验结果得出了空泡闭合方式与入水速度之间的关系; 在此基础之上开展了多弹体入水试验, 分析了串列和并列入水时空泡的生成和相互之间的影响, 以及对运动体本身稳定性的影响.     

基于高速摄像实验的开放腔体圆柱壳入水空泡流动研究

基于高速摄像方法,针对入水空泡流动特征和机理,进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究.通过对实验现象的观测,发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式,结合影像数据,分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征,并获得了空泡波动参数的变化规律;对比不同入水速度实验,分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响;依据流体力学基本理论,分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理.结果表明:随入水速度增加,入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态,波动频率与入水速度无关,闭合发生时间随入水速度增加而减小,与Froude数呈线性关系;入水导致开放空腔内部气体涨缩,引起开放端压力场和速度场周期性扰动,空泡截面扩展程度出现差异,形成空泡波动现象;空泡闭合后尾部形成回射流,回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩,形成空泡云化现象.     

弹丸高速斜侵彻入水流场显示的初步研究

为认识弹丸高速斜侵彻入水的气/水界面变形破碎、入水空泡和水中冲击波传播,利用可变发射角立式二级轻气炮发射高速弹丸,结合高速激光阴影和纹影流场显示,给出了高速弹丸斜侵彻入水流场的演化图像。结果表明:当弹丸速度在350 m/s附近时,弹丸尾部气流会越过弹丸头部产生冲击波,因为时间短且水惯性大,冲击波在气/水界面反射但不会影响弹丸姿态和气/水界面。弹丸斜侵彻在水中产生冲击波系,气/水界面发生形变和破碎("碎片云"),水中产生冲击波系和空化气泡区,难以识别气泡和"碎片云"的边界,不同头部构型弹丸会影响气泡和"碎片云"体积大小以及水下弹道稳定性。弹丸速度为1.8 km/s时,碎片云体积大于水下空泡体积,但流场结构和350 m/s情形相似。采用立式二级轻气炮和流场显示系统,为研究高速弹丸斜侵彻入水现象提供了新的途径。     

不同头型弹体模型入水现象的实验研究

弹体入水问题作为理论研究方面的复杂问题,涉及到气-液-固三者之间相互影响,对其很难建立出一个能够广泛应用的、能精准地描述入水现象的模型.本文通过实验手段,利用高速摄像技术,记录了不同头型弹体入水过程.通过不同视角拍摄弹体垂直入水和垂直落入加有表面活性剂的水体实验,研究弹体头型对反弹水花速度、水面附近水花演变以及空泡的演变等现象的影响规律.实验验结果表明:同一下落高度下,顶角越大的弹体,水下空泡越大,空泡断裂时其底端的位置越靠下,水压加速距离越长,反弹水花速度越快,水面现象越剧烈,半球形头型弹体的排水现象最轻微.水体表面张力的改变对头部顶角为180°弹体水花形态有影响,而对60°,90°,120°和半球型弹体水花形态无影响.     

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。     

开放空腔壳体入水扰动流场结构及空泡失稳特征

采用高速摄像实验和数值计算相结合的方法,对开放空腔壳体入水过程中空腔内气体涨缩对入水空泡的扰动机理和扰动作用下空泡局部失稳特征开展研究.基于实验观测结果,对比开放空腔和封闭空腔两种壳体入水空泡形态差异性,获得开放空腔壳体入水空泡波动特征,并根据能量守恒定律和能量转化关系,定性分析空腔自激扰动机理和扰动引起的空泡波动机理.基于数值计算结果,结合实验观测到的空泡阶段性局部失稳现象,定量分析空泡局部的结构性失稳特征和流动性失稳特征,并参照边界层理论和漩涡理论,揭示了空泡局部失稳机理.结果表明:入水冲击压缩空腔气体形成扰动源,对流场结构形成周期性扰动,导致空泡波动;撞水前空腔气体经冲击压缩密度升高,导致入水后气体首次膨胀阶段部分气体外泄,改变分离点流动,空泡局部结构失稳;空泡壁面流动具有类边界层流动特性,波动形态空泡形成多级回流现象,并逐级作用在空泡凹陷位置,使局部掺混区厚度增加,产生涡旋、转捩流动,空泡局部云化失稳;空泡逐级在波谷位置闭合、脱落,伴随大尺度漩涡生成,脱落过程形成拟序结构流场,漩涡导致脱落空泡迅速溃灭,但不会对附着空泡的流动产生影响.     

汽轮机叶片材料抗固粒冲蚀磨损能力的试验研究

利用多种测试技术和试验方法解决了模拟超常气固两相流动过程中的一些特殊问题,较系统地进行了常温到610℃、粒子冲击速度从220 m/s到450 m/s及冲击角从15°到90°条件下氧化铁粒子对两种汽轮机叶片材料抗固粒冲蚀磨损能力的对比性试验研究.研究发现两种叶片材料都呈现出塑性材料的冲蚀特性,最大冲蚀率发生在冲击角约25°和20°处;两种叶片材料冲蚀率的速度指数为2.8～3.0和2.25～2.55,且随温度的变化特性相反.     

基于势流理论的回转体并联入水双空泡演化动力学研究

两回转体并联入水过程中,双空泡在空间上相互干扰,使得单个入水空泡呈现非对称特性.本文基于势流理论,在现有二维轴对称入水空泡计算模型的基础上,对空泡干涉区域的三维流动进行简化,将相对流动对空泡发展的约束简化为约束势,分析了两回转体轴线内外两侧的空泡形态变化;基于非线性假设,引入影响函数,给出了空泡在三维空间演化的计算模型,并分析了同步并联入水过程空泡的三维演化特性.结果表明：回转体入水过程流场速度势可以看作由一个随回转体运动的点源和位于空泡轴线处的线源叠加产生;在并联入水过程中,双空泡演化在空间呈镜面对称,空泡间的相互扰动可以通过引入有势壁面进行分析;并联入水空泡半径随极角的变化与空泡截面所处深度有关,在靠近闭合点附近的抑制演化区空泡截面半径随极角的增大而逐渐减小,远离闭合点处的抑制演化区空泡截面半径随极角的增大而增大,空泡加权半径规律相反.     

环境压强对空泡脉动特性的影响

基于空泡生长和溃灭理论分析不同环境压强对空泡膨胀的最大泡半径、收缩的最小泡半径、膨胀与收缩速度的影响.同时,利用高功率激光与液体物质相互作用产生空泡,采用高速照相机、高频测量水听器实验研究不同环境压强下液体中空泡运动规律,并将实验结果与计算结果进行对比.结果表明:环境压强对空泡脉动特性有较大影响.相同激光能量击穿液体介质时,随着外界环境压强的增加,空泡脉动周期呈现递减趋势;空泡第一次脉动的最大泡半径同脉动周期的变化趋势一致,且数值由快到慢递减;随着外界压强的增加,空泡溃灭的速度越快.随着压强的增大,空泡膨胀与收缩更为剧烈,持续时间更短.     

ITER �Թ�ŵ�缫����ȴ����

对清洗放电时ITER辉光放电电极采用水冷和气冷条件下的电极冷却进行了计算。当辉光放电清洗功率为9000W,冷却水的流速为4~6m.s-1,入口温度为室温25°C时,电极的温升不会超100°C。当冷却媒介为氦(He),速度为300m.s-1,入口温度为室温25°C时,最高温度不会超过200°C。计算表明,当仅仅考虑因辉光放电电功率所导致电极发热时,水冷可以满足电极辉光放电时的冷却要求。     

全浸水带间隙发射高速射弹的入水冲击载荷分析

全浸水带间隙发射方式可以将发射环境由水介质转化为气体介质。为了研究高速射弹在此条件下的入水冲击载荷,建立了射弹入水冲击载荷的理论模型。针对射弹在入水速度、头部锥角和入水攻角不同情况下的入水冲击载荷进行了计算,分析了入水速度、射弹头部参数和入水攻角对冲击载荷的影响。研究结果对全水下高速射弹入水冲击载荷的预测和射弹头部结构的设计具有重要意义。     

超急速传热时球体内非稳态热传导的非傅里叶效应

本文分析了球形物体表面加有一突然温度变化这类超急速传热情形下的热波传播特性．基于超急速传热条件下，热流矢的传播和温度梯度的形成之间存在时间延迟的概念，本文采用双曲型热传导方程来描述该高度非稳态热传导问题，得到了球体内部温度分布的解析表达式．同时将所得解与抛物型热传导方程的解进行了比较，分析了其热传导的非傅里叶效应与产生条件．     

壁面附近激光空泡溃灭的空蚀特性

为分析空泡在壁面附近溃灭导致的冲击波和射流特性,提出将激光空化、高速摄影技术应用于激光空泡的空蚀研究。建立了壁面附近激光空泡的产生、微调控制及高速摄影测量实验平台。采用高速摄影技术对不同液体、不同γ参量条件下空泡脉动的外形特征、溃灭冲击波和溃灭射流等参量进行了测量。结果表明,壁面的存在弱化了空泡溃灭时的收缩程度,空泡溃灭时的冲击波和射流对壁面的破坏作用存在着此消彼长,相互竞争的关系;空泡在壁面附近脉动时,回弹泡的溃灭对壁面也可产生较强的破坏作用;液体的粘性增大有助于空泡表面维持稳定,减缓空泡溃灭时泡壁的运动速度。     

高速弹体非正侵彻混凝土靶的弹道偏转实验研究

利用二级轻气炮,进行了980~1870m/s速度范围内小尺寸弹体非正侵彻半无限混凝土靶实验,详细测绘了弹道轨迹及特征参数,重点研究了高速非正侵彻的弹道特性,并根据侵彻机理进行了侵彻过程分区。研究结果表明:与中、低速条件下的弹道不同,高速弹体非正侵彻半无限混凝土靶的侵彻弹道偏转更为明显,表现为典型的“J”形弹道,弹体终点姿态变化很大,弹道末端的偏转角可达130°。     

行波驱动下空泡在可压缩流场中的运动特性研究

基于波动方程给出了计及可压缩性的边界积分方程. 以此为基础,求解行波驱动下非球状空泡的运动规律及其运动稳定性,并分析比较了行波频率、幅值以及初相位对空泡运动特性的影响. 研究结果表明：较高的行波频率与较低的幅值是空泡稳定运动的充分条件. 在一定幅值和频率的行波驱动下,空泡将在收缩阶段末期形成与行波传播方向相同的高速射流;计及流场可压缩性后,空泡脉动一次的时间减短,幅度减弱,射流顶点速度以及空泡内部压力的峰值随之减小;随着行波频率的增大或是幅值的降低,空泡脉动幅度与射流强度逐渐减弱;行波初相位的变化使空泡的初始运动状态随之改变,并影响非球状变形时的射流强度. 关键词： 可压缩 空泡 行波 运动特性     

竖直圆管内超临界压力煤油传热特性实验研究

在压力2.5~4 MPa, 质量流量0.7~1.7 g/s, 热流密度0.06~1 MW/m2的实验条件下, 对煤油在内径1 mm, 长度300 mm竖直上升圆管内的流动与传热特性开展了实验研究, 并分析了传热系数随局部油温的变化及不同实验参数对传热的影响.结果表明, 超临界压力下煤油传热主要由自身物性和流动状态决定.超临界压力煤油传热过程大致可以分为3个区域:正常传热区传热强化区和传热恶化区.传热强化主要是湍流掺混增强和近壁面流体在拟临界温度附近物性剧烈变化的综合作用; 传热恶化则是因为壁温及近壁面流体温度远高于拟临界温度, 在近壁面发生了类似于亚临界状态下的“拟膜态沸腾”.      

激光空泡特性实验与数值计算研究

基于激光空泡内物质以水蒸气为主的特征,选择特定的Rayleigh-Plesset方程形式,确定激光空泡的动态泡壁位置,并考虑水中气体与激光空泡之间的质量扩散、水蒸气的凝结与蒸发、水的压缩性及热传导、声辐射、黏性、表面张力等因素.建立激光空泡的产生、照相和声压测量系统.通过数值计算与实验结果相结合的办法,使泡内压力的计算值与实验值之间相对误差控制在10%以内,揭示吸收的激光脉冲能量与激光空泡的半径、泡内压力和温度之间的对应关系,以及吸收的激光脉冲能量不变时半径、压力和温度的变化规律.旨在为激光空泡的相关研究提供一定的参考. 关键词： 激光空泡 水蒸气 数值模拟 Rayleigh-Plesset方程     

声悬浮条件下环己烷液滴的蒸发凝固

采用单轴式声悬浮方法研究了环己烷液滴的蒸发过程,发现环己烷液滴的蒸发可以使自身温度降至熔点以下并发生凝固.高速摄像实时观测表明,环己烷晶核开始形成于液滴赤道附近,并以枝晶方式长大,平均生长速度为12.5-160.4 mm/s.进一步研究发现,声悬浮条件下平均Sherwood数与平均Nusselt数的比值Sh/Nu是在自然对流条件下的1.3倍,这表明声流边界层有效提高了环己烷液滴的蒸发速率而对传热的促进作用相对较小,因而可以使液滴降至更低温度,进而发生凝固.据此,提出了挥发性液体在声悬浮条件下发生蒸发凝固的必要条件. 关键词： 声悬浮 声流 环己烷 蒸发凝固     

一种高亮度积分球定标光源的热设计

针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器对实验室辐射定标的要求,设计了一种使用近距离小面源照明方式定标的高亮度积分球光源,并对该光源的光学参数和结构参数进行了详细设计。为了解决高亮度积分球使用时的散热问题,采用水冷的散热方式,设计了专门的散热管路。对该光源循环水流速0.1 m/s下利用有限元分析法热仿真分析,仿真结果表明,溴钨灯光源附近温度维持在125°C左右,积分球出光口温度维持在80°C左右。实验结果表明,溴钨灯光源附近温度维持在125°C左右,积分球出光口温度维持在100°C左右。通过对比分析了积分球出光口温度差异的原因,验证了仿真分析与理论计算的正确性。同时测试了该光源在400~900 nm波段范围内光谱辐亮度为6714 W/(m2·sr)。