一阶不连续光学元件MRF流体动力学分析方法

一阶不连续光学元件的磁流变抛光问题是制约我国高精高效光学制造领域发展的难题之一,其涉及锥形、矩形等几何形貌元件的光学元件加工问题以及常见光学元件的边缘效应控制问题。提出了基于一阶不连续光学元件的磁流变抛光流体动力学方法,建立了该类元件抛光区域流体动力分析的理论方法和数值手段。首先,对磁流变抛光工况下的流场进行了合理假设,其次,从微元流体动力方程出发,建立了适用于一阶不连续面形的流场分析方法,最后,基于有限差分法和数值迭代方法建立了流场控制方程的数值计算方法。通过对切入距离为1~18 mm的抛光过程进行数值仿真,发现该方法所获取的一阶不连续面形的压力分布形态是正确的,产生的不连续压降与实验观测一致。     

磁流变抛光技术与装备研究

磁流变抛光技术利用磁流变抛光液的可控流变特性进行加工,被誉为光学制造界的革命性技术。重大光学工程、光刻机系统以及强激光武器等,对光学平面、球面及非球面元件的超精密加工提出了较强的需求,传统抛光技术已经难以满足这些元件的加工质量要求。     

基于MHD的磁射流抛光中流场的分析与模拟

从理论上分析了磁射流抛光中的磁场与流场的相互作用,构建了磁射流抛光的冲击射流模型,基于磁流体动力学对磁射流抛光过程的紊动冲击射流进行数值模拟,得到了磁射流抛光过程的连续流场和射流在工件壁面上的压力、速度、紊动强度分布。通过比较射流抛光和磁射流抛光的数值计算结果,分析了磁流变效应对射流稳定性的影响,从射流的流场、速度、紊动强度等方面分析射流在磁场中稳定的原因。     

磁流变抛光数学模型的建立

介绍了近年来的一种新兴的光学加工技术———磁流变抛光 (MRF)。以Preston方程为依据建立了这种抛光方法的数学模型。利用该数学模型详细分析了被加工工件表面材料去除率与压力参数P成正比的关系 ,指出了工件表面所受的压力P主要是由流体动压力Pd 和磁化压力Pm 两部分组成的。以用磁流变抛光方法加工凸球面工件为例 ,具体推导出流体动压力Pd 和磁化压力Pm 的数学表达式 ,并通过实验对压力P的数学表达式及抛光模型的合理性进行了验证。     

射流抛光多相紊流流场的数值模拟

 理论分析了射流抛光的紊动冲击射流特点,构建了射流抛光的垂直冲击射流模型和斜冲击射流模型。根据射流抛光冲击射流的特点,比较各种流体模型后,采用RNG k-e 模型应用于射流抛光模型的计算。利用计算流体力学理论的二阶迎风格式对抛光模型方程离散,用SIMPLEC数值计算方法对射流抛光过程的紊动冲击射流和离散相磨粒分布进行数值模拟,得到了射流抛光过程的连续流场和离散相磨粒与水溶液的耦合流场,同时计算出了抛光液射流在工件壁面上的压力、速度、紊动强度、剪切力分布和磨粒体积质量分布,分析了垂直射流抛光模型和斜冲击射流抛光模型紊流流场的特点。     

计算流体成像技术重构方法及其应用

建立系统的计算流体成像(CFI)技术,并论证其为流动数值模拟与风洞实验相互佐证的重要手段。采用纯数值模拟技术重构得到流场计算阴影、纹影以及干涉图,主要技术包括复杂湍流模拟技术、三线性插值技术和流动图像重构技术等。同时将CFI技术应用于激波管内绕障碍物三维复杂流动计算图像重构,并与双向全息实验结果进行了比较分析。研究证明该CFI技术可以用于复杂几何边界、分区域、非定常流动图像重构,不仅能够为流场结构特征分析提供重要参考依据,而且能够用于数值模拟与风洞实验结果的比较印证。     

复杂全机外形跨音速绕流欧拉方程数值计算

发展了一种快速抛物型方程贴体及与边界正交网格生成技术。生成了某歼击机全机真实外形三维O-C型计算网格,并应用于跨音速流场欧拉方程数值计算。成功地模拟了绕全机的复杂流场。计算压力分布与实验吻合良好。     

光学玻璃研抛用磁流变液的研究

利用智能材料之一的磁流变液 (MRfluids)作为加工工具对光学玻璃进行了精密抛光加工。讨论了适用于光学玻璃抛光的磁流变液的配制机理及磁流变液对光学玻璃抛光效果的影响因素。针对光学玻璃磁流变的抛光原理和特点 ,开发配制了适合于光学玻璃加工用的磁流变液 ,并用该磁流变液对光学玻璃进行了实验加工。结果表明 ,最终得到的光学玻璃表面经过AFM测试 ,得到Ra =1 0 1 5nm。     

永磁流变抛光纳米精度非球面技术研究

利用永磁流变抛光技术制造高精度光学元件是一项极具前景的超精密制造技术。对一台五轴联动磁流变数控抛光系统的结构特点、功能特色及关键部件的设计进行了阐述。在此基础上,结合装置开展基础试验,对磁流变抛光过程中的主要控制参量如抛光轮下压量、抛光轮速度等对材料去除特性的影响进行了研究。开展了磁流变抛光对提高工件(K9玻璃)表面粗糙度效果的抛光试验,结果证明该套系统具有良好的磁流变抛光特性,抛光23min后工件表面粗糙度降低到0 6739nm。     

控制力精密抛光装置的设计与实验研究

本文设计并研制了一套可控制抛光作用力的精密抛光装置,该装置具有抛光作用力微调功能及显示功能。用该装置对Ｚｅｒｏｄｕｒ陶瓷玻璃进行控制力抛光实验,稳定地获得了具有纳米级及亚纳米级表面粗糙度的超光滑表面,将该装置与机械化学抛光方法结合使用,可高效地加工出表面无损伤的超光滑基片。     

基于SVD的超精密工件自寻位加工算法能力评价

为进一步改善超精密表面修形的最终精度、效率与成本,优化超精密自寻位加工的工艺方向与工艺决策过程, 开展了对超精密工件的自寻位加工算法点云融合过程的定量评价研究,提出了基于SVD的自寻位加工算法能力评价方法。首先基于运动学方法建立了点云融合的矩阵表示,分别对平动、转动、复合运动等情况建立了自寻位结果的转换矩阵表示,获得自寻位点云融合转换矩阵;进而对转换矩阵进行奇异值分解得到转换矩阵的奇异值列表;最后将列表中最大奇异值用以表征自寻位加工算法的能力。通过对某型超精密叶片在平动、转动和复合运动、共计1078组自由放置状态进行分析,发现所提出的评价指标在独立平动和独立转动两种任意放置情况下能够正确地表征自寻位加工算法的工艺能力。对于独立平动情况,自寻位加工算法能够正常定位加工,其最大奇异值也与预设偏差较小;对于独立转动情况,当旋转角度小于45°时,均能够正确地进行自寻位加工,最大奇异值差值也趋近于零,旋转角度超过45°时,算法的自寻位加工能力恶化,这一特性能够被所提指标正确捕捉。对于由平动和转动构成的复合运动而言,所提指标显示约35%的情况能够正确进行自寻位加工,其余情况无法进行正确的自寻位加工。结果表明本文所提方法建立的指标能够正确表征自寻位加工算法能力。     

Sound field prediction in long enclosures with branches: A combined method

The propagation of sound in long enclosures with branches has been studied theoretically and experimentally, and an efficient combined method is proposed to predict the sound field in long enclosures with branches. Based on the wave-acoustics theory, the theoretical analysis of the sound field of the long enclosures with branches is performed. This paper also investigated the sound field prediction of long enclosures with branches, by using the acoustic modeling program, ODEON. The results obtained by the theoretical analysis and the numerical simulation ODEON are compared with the experimental measurements, and the characteristics of the two methods for predicting the sound field of long enclosures with branches are analyzed. Compared with the experimental results, it is found that: (1) the results predicted by the theoretical analysis fluctuate relatively large with respect to the source-receiver distance, and the sound pressure level (SPL) attenuation obtained is smaller than that measured; and (2) the results predicted by the numerical simulation is smoother, and the calculated SPL attenuation is larger than that measured. To effectively predict the sound field of long enclosures with branches, a combined numerical method is thus proposed. The effectiveness of the proposed combined method is demonstrated by the scale-model experiments.     

THz-waves channeling in a monolithic saddle-coil for Dynamic Nuclear Polarization enhanced NMR

A saddle coil manufactured by electric discharge machining (EDM) from a solid piece of copper has recently been realized at EPFL for Dynamic Nuclear Polarization enhanced Nuclear Magnetic Resonance experiments (DNP-NMR) at 9.4 T. The corresponding electromagnetic behavior of radio-frequency (400 MHz) and THz (263 GHz) waves were studied by numerical simulation in various measurement configurations. Moreover, we present an experimental method by which the results of the THz-wave numerical modeling are validated. On the basis of the good agreement between numerical and experimental results, we conducted by numerical simulation a systematic analysis on the influence of the coil geometry and of the sample properties on the THz-wave field, which is crucial in view of the optimization of DNP-NMR in solids.     

超声搅拌磁流变抛光液的声场仿真分析

为了探究超声搅拌磁流变抛光液的制备及优化工艺,利用多物理场数值计算方法,建立了超声搅拌磁流变抛光液的声场仿真模型,并进行了频域分析。研究了不同液位深度、超声变幅杆探入深度,不同功率下磁流变抛光液的声场分布。通过测量磁流变抛光液的声场强度对声场仿真进行了验证。结果表明：随着距变幅杆距离的增加,声强逐渐减弱,高声强区域主要分布在换能器轴线附近。声强在距变幅杆20mm范围内急剧衰减,变幅杆最佳探入深度为10mm,增大功率有助于空化区域的扩大。声场仿真结果与实验测量结果基本一致,对磁流变抛光液的制备提供了数值计算基础。     

Discussions on on-machine measurement of aspheric lens-mold surface

At present, regarding to the machining of aspheric lens mold, there are two major methods to carry out the on-machine measurement (OMM) — contacting method (CM) and non-contacting method (NCM). Here such two methods are reviewed in detail. CM is mainly based on the contacting probe which is scratching aspheric surface of lens mold to achieve profile data. To be efficient, an idea with 45° tilt of probe is proposed for OMM of lens mold by Suzuki. But generally speaking, the contacting OMM is not so efficient and can only deal with axisymmetric aspheric lens mold. On the contrary, NCM mostly uses laser to achieve aspheric profile without any contact. On ultra-precision lathe, laser scanning system or laser interferometer is mounted on the frame of lathe and transfers measurement data to machining system efficiently. However, most NCMs need stable environment and low working noise except instantaneous phase-shifting shearing interferometry (IPSSI). Therefore, a new idea about IPSSI is proposed in this paper to realize OMM of lens molds. Unfortunately, it's also difficult to test the high numerical aperture aspheric or free-form lens molds. By comparison, the newly-developed fringe reflection (FR) method is becoming the promising method because it features the high efficiency and high accuracy. However, this method has not been used for OMM system yet. Much research should be conducted for FR OMM technology.     

复杂封闭声场面板声学贡献度识别的等效源法

针对由复杂结构振动形成的封闭空间声场,提出了一种基于等效源法的面板声学贡献度分析方法。该方法首先利用基于等效源法的内部声全息技术,重构出振动结构表面的法向振速并实现对整个内部封闭声场的预测。再将振动结构的每个面板在腔体内部场点产生的声压分别用位于空腔表面附近的等效源在该点产生的辐射声压代替,将复杂的封闭非自由声场问题转化为简单的内部自由场问题,结合重建出的结构表面法向振速进而识别出封闭振动结构各面板对腔体内任意位置的声学贡献度。通过对复杂结构内声场的数值仿真和验证实验,分析了等效源的数量及与重建面距离等参数对重建精度的影响,结果表明所提方法不仅能够达到传统数值分析方法的计算精度,而且具有更简单的求解过程。      

Diffraction of sound pulses on an elastic spherical shell submerged in an oceanic waveguide

The paper is devoted to simulating an acoustic field scattered by an elastic spherical shell placed in a waveguide with a fluid attenuating bottom. The emitted signal is a wideband pulse with a Gaussian envelope. The normal wave method is used in the frequency domain for calculating the field of a point source in a free waveguide and the shell scattering coefficients. Movement of the receiver along a vertical straight line located behind the shell makes it possible to obtain a “three-dimensional” image of the field scattered by the shell. In this representation, the horizontal axis is time; the vertical axis is the submersion depth of the receiver; the intensity shows the amplitude of the received signal. Such three-dimensional structures make it possible to analyze the dependence of the complex diffraction structure of the acoustic field on receiver depth. In the considered numerical example, a thin, elastic, spherical shell is located near the attenuating fluid bottom.     

管内超临界压力水的混和对流换热

本文利用FLUENT6.0软件,数值研究了超临界压力下水在光管内作层流流动和换热特性,着重考察了重力引 起的二次流的影响。研究发现垂直管中由于浮力作用,速度曲线不再是抛物线,而成M状,并在壁面附近出现峰值;重 力作用下,物性的剧烈变化在水平管垂直流动方向引起了很强的二次流,从而影响了阻力特性和换热特性。     

磁流变液构成的类梯度结构振动传递特性

提出了一种磁流变液构成的类梯度结构,并通过理论建模、数值计算和实验研究了该结构的振动传递特性.磁流变液在磁场作用下具有液固转换的特殊理化性质,而液固转换过程就是磁流变液的振动传递阻抗变化过程.因此,基于磁流变液的这一特性,通过控制磁场,构建了类梯度结构.基于弹性波传递的一维波动方程,建立了垂直入射的弹性波在类梯度结构中传递的波动方程.然后,使用连续介质的离散化方法和传递矩阵法进行求解,得到振级落差的表达式,对其进行数值计算,分析类梯度结构的振级落差随弹性波频率和磁场强度的变化趋势.最后,对类梯度结构的振动传递特性进行了实验研究,分析了磁场强度对类梯度结构振动传递特性的影响.研究结果表明,与均匀场作用的磁流变液相比,类梯度结构对弹性波的衰减效果更好,且该结构具备良好的可调控特性.