液固两相射流中304不锈钢冲蚀行为研究

本文应用实验与模拟相结合的方法研究了液固两相射流中304不锈钢磨损。实验考虑了颗粒属性包含颗粒粒径变化、颗粒粗糙度变化、颗粒形状长宽比变化三个方面对不锈钢样品磨损行为的分析;模拟分析了颗粒随流场运动的轨迹、颗粒-壁面撞击点分布以及导致的不锈钢表面磨损分区的变化.电化学测试了304不锈钢样品表面经冲蚀后,抗腐蚀性能强弱的变化。测试手段包括材料质量损耗、SEM观察、电化学测试。结果表明:在30°冲击角度下,颗粒运动轨迹与流场一致,造成了撞击点的不同分布,样品表面的磨损分区;颗粒撞击造成304不锈钢材料表面抗腐蚀性能减弱。     

冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究

通过平板冲击实验研究了富含微缺陷的非均质脆性固体的冲击压缩响应特性.选取“强角闪石化橄榄二辉岩”作为样品材料，利用激光速度干涉仪测量样品后自由面的速度历史，在冲击加载应力远低于样品材料Hugoniot弹性极限的条件下，观测到了表征破坏波出现的再加载信号，并且该破坏波的速度远大于玻璃中破坏波的速度，以接近于冲击波的速度在样品内向前传播，其形成机理与玻璃样品中的破坏机理不同，称之为“就位扩展机理”.采用同一冲击加载应力(～3.9GPa)作用于不同厚度的样品,获得了破坏波穿过样品的运动过程，确定出样品中破坏波的轨迹线近似为一条不过原点的直线，相应的产生此破坏波的弛豫时间约为0.5 μs.     

动能杆侵彻目标靶毁伤效果研究

针对动能杆侵彻目标靶的毁伤评估问题,从有限元角度出发,在数值模拟的基础上,提出了单根动能杆的毁伤指数计算模型;以不同杆体角(从-60°到90°以30°递增)和速度角(从0°到75°以15°递增)对靶板进行侵彻仿真,得到了多种情况下动能杆的毁伤指数和分布规律。一般情况下,毁伤指数随速度角的增加而增大,但当速度角为30°或60°时,速度角和杆体角一致时毁伤指数最大,并针对此种情况进行了分析。将动能杆垂直侵彻靶板的仿真结果与经验公式的计算结果进行了对比,二者相差4.06%,证实该仿真方法是可行的。     

低能Kr+离子束诱导蓝宝石晶体实验研究

使用微波回旋共振离子源制备蓝宝石(A向)自组织纳米结构,研究不同入射角度下Kr+离子束刻蚀蓝宝石表面形成的自组织纳米结构及其形成过程.采用等离子体与离子束刻蚀设备在不同入射角度下对蓝宝石样品表面进行刻蚀并通过Taylor Surf CCI2000非接触式表面测量仪和原子力显微镜分别对刻蚀后的蓝宝石样品的刻蚀速率及表面形貌进行分析.研究表明:当离子束能量为400eV,加速电压为200V,离子束流密度为310μA/cm2时,小角度入射下,蓝宝石样品表面出现纵向尺度较小的有序点状纳米结构;随着入射角度的增加,样品表面形成条纹状纳米结构,30°时形成短程有序且纵横比为0.87的条纹状结构;入射角度继续增加,纵向高度减小直至纳米结构消失;当角度达到60°附近,蓝宝石表面又出现条纹状结构,70°时形成了短程有序且纵横比为1.07的条纹状结构.自组织纳米结构的形成先以"岛状"形式出现,随后岛上生长出条纹状纳米结构,随着刻蚀时间的增加,岛状条纹结构纵向尺度增大且有序性增强,纳米结构的横向周期不变.     

抛光颗粒尺度均匀性对射流去除特性的影响

基于单喷嘴射流抛光去除机理,研究了抛光颗粒尺度分布理想均匀时,颗粒直径和抛光液质量分数变化对冲击去除分布的影响。在此基础上,考虑到实际加工过程中,抛光粉颗粒不可避免地存在分布不均匀的情况,在非理想不均匀条件下,提出了一种分析颗粒尺度的材料去除特性模型,重点研究了不同颗粒尺度分布范围对材料去除特性的影响。结果表明:在理想状态下,冲击去除随着抛光颗粒直径的增大而减小,随着抛光液质量分数的增大而增大。当颗粒直径随机分布时,材料去除量将出现明显的波动,抛光液质量分数的增大使去除量波动也增加,去除量波动的大小与抛光粉颗粒的平均直径直接相关,且与理想均匀状态下的去除特性相比,颗粒分布不均匀性使得材料的去除量有所增大。     

基于同轴转臂的角分辨光谱测量系统

设计实现了基于同轴转臂的角分辨光谱测量系统,适用于对表面等离激元结构进行角分辨镜面反射光谱表征。以激发转臂与收集转臂绕样品台表面回转实现定向入射与收集;利用标准圆棒约束两转臂回转轴承同心,并允许转臂与电动转盘径向相对移动以保证两转臂沿同轴转动,进而确保角分辨光谱的角度信息准确;利用反向传播神经网络算法对光栅分光光谱仪进行标定,确保光谱信息准确。系统可分辨高度角范围为7.9°~89°,最小角度分辨率为0.1°。通过该系统对金表面一维周期光栅、金表面二维周期纳米结构等样品在不同介质环境、不同高度角与不同方位角下进行镜面反射谱采集实验,完成了对上述表面等离激元结构可靠的角分辨光谱表征。     

一种高精度偏振遥感探测方式的精度分析

检偏器的角度误差是影响偏振遥感探测精度的重要因素之一,是许多高精度定量化偏振遥感需要考虑的一个问题。在检偏器(0°,60°,120°)放置的测量系统中,当入射光偏振角接近于0°或180°时偏振测量易产生最大误差值,而偏振角接近30°,90°和150°时,偏振度的测量具有很高的精度;在检偏器(0°,45°,90°)放置方式中,偏振角接近45°的光束测量易具有最大误差值,而偏振角接近于0°,90°和135°时,角度误差对偏振度测量精度的影响很小。除了个别偏振角外,对高偏振度入射光束的偏振测量通常具有较大的偏振测量误差。因此,引进线偏振光的平均偏振度测量精度描述偏振测量装置的优劣,结果表明检偏器(0°,60°,120°)放置方式优于检偏器(0°,45°,90°)放置方式。     

多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部, 导致压缩破坏和功能失效. 通过设计并引入微孔洞, 显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力, 从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量, 并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通. 建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程. 冲击波压缩下孔洞塌缩, 导致体积收缩变形和滑移以及转动变形, 使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性. 对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明, 多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料. 在短脉冲加载下, 相较于遭受整体破坏的致密脆性材料, 多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价, 阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品, 避免了材料的整体功能失效.     

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.     

射流注入角对平板气膜冷却特性影响的实验研究

本文对不同射流注入角的典型单排孔冷却结构的平板气膜冷却特性进行了实验研究,研究对象为轴线与主流来流方向分别成30°、60°、90°的射流孔板,对它们在吹风比为0.5、1.0、1.5条件下的射流孔下游的绝热气膜冷却效率分布特性进行了分析.在吹风比M=0.5时,三个射流注入角条件下近孔区域都能形成较好的冷气覆盖效果;M=1.0时,三者的下游横向平均冷却效率基本相同;M=1.5时,注入角60°的条件下冷却效果最好.     

冲击下材料质量混合的实验研究及离散元模拟

 利用化爆驱动飞片对铅-锡和铜-铝的颗粒混合物进行冲击加载。回收样品的金相分析发现,在锡颗粒边界有明显的铅锡质量混合带,带宽约60~80 μm。利用扫描电镜对混合带进行点扫描,得到带内铅和锡质量分布。计算出的铅锡动态扩散系数为D=0.9 cm²/s,远高于准静态。利用离散元方法进行了数值模拟,定性的显示了高速冲击下材料细观混合的过程和机理。     

高电荷态氙离子辐照下的6H碳化硅表面纳米结构变形（英文）

高电荷态离子比普通的离子携带较高的势能,势能在材料表面的瞬间释放,能在材料表面形成nm量级的结构损伤。它在纳米刻蚀、小型纳米器件、纳米材料、超小尺寸半导体芯片制作、固体表面处理和固体结构分析等领域具有广泛应用前景。因此对高电荷态重离子(Xeq+)引起半导体材料表面(6H-SiC)纳米结构变形进行了研究。采用Xe18+和Xe26+离子,选取从1×1014到5×1015 ions·cm-2逐渐递增的剂量,以垂直和倾斜60°角两种入射方式辐照6H-SiC薄膜样品,经原子力显微镜分析表明,辐照后的表面肿胀凸起。对于Xe18+离子辐照的样品,辐照区至未辐照区边界的台阶高度随离子剂量增加而连续增大,而对于Xe26+离子辐照的样品则先增加而后减小。在相同入射角和剂量条件下,Xe26+离子辐照样品形成的台阶高度大于Xe18+离子辐照形成的台阶高度,在相同离子和剂量的条件下,垂直照射时形成的台阶高度大于倾斜照射时形成的台阶高度。根据损伤机理和实验数据,首次初步建立了一个包括势能、电荷态、入射角和剂量等物理量的理论模型来预测高电荷态离子在半导体材料表面形成的纳米结构变形。暗示了高电荷态离子的潜在的应用价值及进一步研究的必要性。     

基于离散元方法的颗粒材料缓冲性能及影响因素分析

在冲击荷载作用下, 颗粒材料通过颗粒间的摩擦及非弹性碰撞可有效进行能量耗散实现缓冲作用. 本文采用离散元方法对冲击载荷下颗粒材料的缓冲过程进行数值分析, 研究不同厚度下颗粒材料的缓冲性能. 计算结果表明: 颗粒层厚度H是影响颗粒材料缓冲性能的关键因素, 并存在一个临界厚度H_c. 当H < H_c时, 冲击力随H的增加而降低; 当H > H_c时, 冲击力对H的变化不敏感并趋于稳定值. 此外, 在不同颗粒摩擦系数和初始密集度下对缓冲过程的离散元分析表明, 光滑和疏松颗粒材料具有更好的缓冲性能. 最后, 对颗粒材料在冲击过程中的力链结构和底板的压力分布进行了讨论, 以揭示颗粒材料缓冲性能的内在机理.     

射流速度和冲击角度对材料去除特性的分析

射流速度和冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面型和材料去除量有重要的影响。对冲击射流壁面流场结构进行了分析,建立了工件壁面上的速度、压力与冲击角度、射流出口速度的数学关系。在分析理想平面的基础上,重点分析了射流速度和冲击角度的变化对存在表面瑕疵的工件材料去除量的影响。结果表明:对于理想平面,当冲击角度大约为30°时,可得到理想的高斯型面型分布;对于存在瑕疵的工件表面,在小角度冲击时更有利于材料的去除;工件材料的去除量均随着射流速度的增大而增大。     

金属杂质辅助低能氩离子束诱导蓝宝石自组织纳米结构

使用实验室自主研发的等离子抛光与刻蚀系统,研究了不同入射能量下不锈钢杂质辅助Ar+离子束刻蚀蓝宝石表面自组织纳米结构的形成机制。采用Taylor Surf CCI2000非接触式表面测量仪和原子力显微镜分别对刻蚀后蓝宝石样品的粗糙度、纳米结构的纵向高度和表面形貌进行了分析。研究表明:引入不锈钢杂质后,当离子束入射角度为65°、束流密度为487μA/cm²、刻蚀时间为60 min、离子束入射能量为1000 eV时,蓝宝石样品表面出现了纵向高度为11.1 nm高度有序的条纹状纳米结构;随着入射能量的增加,表面开始出现岛状纳米结构;当入射能量为1200 eV时,形成了岛状与条纹状相结合的纳米结构,其纵向高度为13.6 nm;入射能量继续增加,蓝宝石表面岛状结构密度变大;当入射能量达1400 eV时,样品表面岛状结构的纵向高度为18.8 nm;入射能量为1600 eV时,样品表面出现较为有序且密集的岛状结构,其纵向高度为20.1 nm。自组织纳米结构先是以“条纹”形状出现,随着入射能量的增加,引入的金属杂质打破了在离子束溅射过程中表面生长机制和表面平滑机制的平衡状态,形成了岛状结构,该结构促进了纳米结构的生长,改变了纳米结构的有序性。     

涡轮动叶吸力侧单排气膜孔冷却性能研究

本文通过数值模拟的方法,针对涡轮叶片吸力侧的单排气膜孔,研究了无量纲气膜孔出流位置、气膜孔复合角度和冷却空气质量流量占比对其气膜冷却效率与气动掺混损失的影响。结果表明,对于近前缘气膜孔,0.5%的冷却空气质量流量可以在保证较好的气动效率的同时在下游附近提供较高的绝热气膜冷却效率;对于中后部气膜孔,90°的气膜孔导致的掺混损失比相同冷气量的近前缘气膜孔高出一倍,此时复合角为60°的气膜孔有更好的气膜冷却效果。对比不同的孔排位置,位于流向位置0.3的气膜孔可以在下游较大区域取得良好的冷却效果,而且不引起过大的掺混损失。     

不同复合角对平板气膜冷却特性影响的实验研究

本文对不同复合角的典型单排孔冷却结构的平板气膜冷却特性进行了实验研究,研究对象为α为30°,β分别为30°、45°、60°的射流孔板,对它们在不同吹风比条件下的绝热气膜冷却效率分布特性进行了分析.实验结果表明,所有复合角条件下的冷却性能都优于相同条件下的简单角; M=0.5、β=60°时的冷却性能明显优于其他两个复合角;M=1.0时.三者的下游横向平均冷却效率相差不大; M=1.5、β=30°时的冷却性能最优.     

冲击射流在凹坑壁面通道内的换热特性研究

采用热色液晶瞬态测温技术对航空发动机进气道支板的带凹坑壁面通道内表面开展冲击换热实验。研究了不同射流角度和射流雷诺数下通道内表面的换热特征。结果表明:沿流向在出气缝附近形成换热的高值区,在凹坑尾缘形成局部的高值区。凹坑壁面的换热要强于光滑壁面。随着射流雷诺数的增加,平均努塞尔数增大。当射流倾斜入射时,被冲击一侧换热较高,在驻点区域以及凹坑的尾缘换热最强,另一侧内壁面换热相对弱。射流角度30°时,被冲击面的换热最显著。在射流角度15°时,前缘附近的换热效果最强。     

无序性对脆性材料冲击破碎的影响

脆性材料受冲击荷载作用产生损伤开裂是一个连续介质离散化的过程.采用连续离散耦合方法模拟了一个脆性圆球以不同初始速度与刚性板的冲击,重点研究了无序性对脆性材料冲击破碎的影响,并对其内在机理进行了分析.本文不考虑材料细观结构的无序性,材料的无序仅体现在细观断裂参数的非均质性.数值实验同样揭示了脆性材料在冲击破坏中存在两种破坏模式,即低速时接触区域的局部损伤和高速时的整体碎裂.研究表明,材料无序性对临界冲击速度、破碎模式、碎片形态影响显著.随着无序度增加,材料的临界速度增大,损伤开裂由少量贯穿性裂纹主导转变为全域性的分叉裂纹.高无序度圆球冲击产生的碎片表面更粗糙,体型更为扁平细长.这与细观断裂的主导机制有关,无序度较高时剪切导致开裂的比重更大,碎片内部损伤裂纹面更多.     

木材表面光泽度的近红外漫反射光谱技术快速测定研究

表面光泽度是天然高分子材料(如木材)及其制品的重要视觉参数之一,实现天然高分子材料及其制品表面光泽度的快速测定对其表面质量的在线控制与评价具有重要意义。为了实现近红外光谱技术对木材表面光泽度的快速测定以及拓宽近红外光谱技术在高分子材料表面质量控制领域的应用,本研究利用近红外光谱技术结合偏最小二乘法对天然高分子材料木材表面光泽度的模型预测值与实测值的相关性进行研究,探讨了近红外漫反射光谱技术快速测定天然高分子材料木材表面光泽度的可行性。结果表明:(1)木材表面光泽度与其近红外漫反射光谱密切相关,说明木材表面近红外光谱特征中包含表面光泽度的信息;(2)通过偏最小二乘法建立木材表面光泽度的近红外光谱预测模型,模型对木材表面光泽度的预测值与实测值的相关系数可达0.90;(3)通过改变采谱光纤与木材样品表面的夹角获得不同的漫反射光谱数据,分别建立不同的木材表面光泽度预测模型发现,采集光谱的光纤与样品表面的角度变化对结果影响不显著,光纤与样品表面夹角为90°时的结果相对较好。