电子枪功率与束宽对金属原子蒸气特性的影响

在原子法激光同位素分离工程中,电子枪加热金属铀产生的原子蒸气的密度、速度以及温度等宏观量分布特性是非常重要的参数.为了分析电子枪功率和束宽对原子蒸气密度、速度、温度、质量通量和速度分布等物理特性的影响,采用直接MonteCarlo方法用柱坐标模拟了铀原子平面蒸发动力学过程.在电子枪加热方式下,蒸发源温度场不均匀,而且温度场随电子枪功率和束宽变化.着重研究这种变化对蒸气各种物理特性的影响.模拟结果表明,电子枪功率越高,蒸气径向宏观漂移速度越大,蒸发量越大;电子束束宽越窄,蒸发量越大. 关键词： 金属蒸发 原子法激光同位素分离 直接MonteCarlo 电子枪     

电子束激发原子对金属蒸发的影响

在原子蒸气激光同位素分离工程(AVLIS)中,金属受电子束的加热而熔化,并向真空蒸发,蒸气原子通过电子束的过程中,可能与电子发生非弹性碰撞,被激发到高能级.在膨胀的过程中,高能级的原子通过与原子的非弹性碰撞消激发,将原子内的电子能量转换为蒸气的平动能.为了分析电子束与原子作用对蒸气的密度、速度和温度等物理特性的影响,采样直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)模拟钆原子蒸发过程.模拟结果表明,电子束与原子的作用使得原子蒸气的速度增加,密度减小,温度升高 关键词： 金属蒸发 AVLIS DSMC 电子枪     

考虑液面凹陷时金属熔化与蒸发的数值研究

将关于液面凹陷的Young-Laplace方程与关于金属溶池的流体力学方程组及关于金属蒸发的ＢＧＫ方程联立求解，在给定的电子枪加热条件下，获得了熔池流场和温度场图像及金属蒸气密度、速度和温度分布.数值计算结果表明，随电子枪功率增加，金属的蒸发速率增加，蒸气的密度增大、温度降低而速度升高.与假设液面为平面的情况相比，考虑液面凹陷后求得的液面温度较低，金属的蒸发速率较小，并且这种差别随电子枪功率的增加而扩大.因此对于高功率电子枪加热金属蒸发，必须考虑液面凹陷的影响才能得到符合实际的结果. 关键词： 液面凹陷 Young-Laplace方程 熔池 金属蒸发     

乙醇蒸汽氛围中水滴蒸发热动力学特性实验研究

为了探究异质蒸气氛围对附壁液滴蒸发过程的影响，采用实验观测的方式分析了低压乙醇蒸气氛围中水滴蒸发热动力学特性。实验结果表明，液滴蒸发冷却效应诱导产生气液界面处的切向温度梯度及液滴内部的法向温度梯度。液滴蒸发初期，切向温度梯度诱导产生的Marangoni流动占据主导地位，自由界面近三相线处温度分布呈齿轮状。随着蒸发的进行，齿轮状热流型逐渐演变为多流胞状结构，并逐渐脱离三相线朝自由界面中心处移动。随着液滴高度的降低，法向温度梯度逐渐占据主导地位，浮力效应诱导产生Bérnard-Marangoni流胞。在低压乙醇蒸气氛围中，乙醇在液滴界面生成溶解热，使得界面热质传递过程更为复杂，观察到多类不稳定流型演化过程。随着初始时刻乙醇蒸气压力的降低，液滴蒸发速率增加，流动不稳定性增强。     

计及溅射损失的平行板静电场法离子引出和收集

采用粒子模拟-Monte Carlo碰撞(particle in cell_Monte Carlo collision)方法研究了 原子蒸气激光同位素分离工程中一维平行板静电场法离子引出和收集过程，记录引出离子的 能量分布和角度分布，计算离子在收集板上造成的溅射损失.模拟结果表明，增加引出电压 可以缩短引出时间，降低碰撞损失，但是增加了溅射损失，使得收集率降低；增加电子温度 可以缩短引出时间，提高收集率；增加初始等离子体密度将使引出时间增加，收集率降低；而目标同位素丰度较高的情况下，离子引出过程的碰撞损失 关键词： 原子蒸气激光同位素分离 离子引出 溅射     

高重复率脉冲放电金属蒸气激光中电泳对金属蒸气分布的影响

建立了一个理论模型描述了高重复率脉冲放电金属蒸气激光中的电泳动力学过程.得到了稳态和瞬态时金属蒸气密度扩散方程的解析表达式.分别计算了高重复率脉冲放电的He-Sr⁺和He-Cd⁺激光在不同时刻金属蒸气密度的轴向分布过程.结果表明，在放电开始后约2s内即可在阴极区建立起相当均匀的轴向金属蒸气密度分布，从而确保了电泳式金属蒸气激光的稳定输出特性. 关键词： 电泳 高重复率脉冲放电 轴向金属蒸气分布 金属蒸气激光     

纳米液滴蒸发过程的分子动力学模拟

本文从分子水平对纳米氮液滴蒸发的微观过程进行了分子动力学研究,其中液氮分子间采用球形截断的LJ势能函数.从微观模拟信息中获取了相应的宏观性质,示出了液滴在蒸发过程中的分子位形的变、密度分布、双体分布函数和压力分布,探究了纳米液滴在蒸发过程中界面现象的物理机理.     

液体火箭有机凝胶喷雾液滴蒸发模型及仿真研究

凝胶推进剂虽然兼具有液体推进剂流量可控和固体推进剂长期可储存等优点, 但凝胶喷雾液滴蒸发燃烧问题却一直困扰着凝胶推进剂研制及燃烧室设计工作, 阻碍了凝胶推进剂实际工程应用.设计实现了凝胶单液滴蒸发燃烧实验系统, 通过某型有机凝胶偏二甲肼(UDMH)单液滴在四氧化二氮蒸气中的蒸发燃烧实验现象, 进一步深入分析了凝胶液滴蒸发燃烧机理.根据实验中凝胶单液滴在不同阶段的蒸发特性, 建立了有机凝胶喷雾液滴在胶凝剂膜形成、膨胀、破裂三个不同蒸发阶段的多组分蒸发模型, 采用初步选定的模型参数及物性参数对凝胶单液滴在高温气体环境中的蒸发全过程进行了仿真计算, 并与常规液体液滴的仿真结果进行了对比分析.结果表明,凝胶喷雾液滴表面胶凝剂含量在蒸发初期增加比较缓慢, 但在某临界时刻后的极短时间内迅速升高至形成胶凝剂膜的质量分数95%, 导致表面质量流率迅速下降至0,表面温度则快速上升至UDMH推进剂沸点.胶凝剂膜形成后, 液滴半径及表面UDMH蒸气质量分数出现了实验现象中凝胶液滴反复膨胀-破裂的震荡现象, 液滴表面温度维持在略高于沸点的某温度范围内,凝胶液滴内部的沸腾蒸发明显强于液体液滴表面稳态蒸发流率, 使得凝胶喷雾液滴生存时间小于常规液体液滴.     

加热基底上附壁液滴蒸发动力学实验研究

为了了解液滴表面热流型演变规律及其对蒸发速率的影响,采用稳态蒸发实验研究了加热基底上乙醇和水滴的蒸发过程。液滴半径固定在R=2.5 mm,高度变化范围为0.4至1.4 mm。结果表明,随着液滴高度降低,乙醇液滴表面出现了中心不均匀的温度波动、热流体波及Bénard-Marangoni流胞,而水滴表面则没有明显温度波动。随着基底温度升高,液滴内部热对流增强;随着液滴高度降低,乙醇液滴蒸发速率先减小、后增大,而水滴蒸发速率则无明显变化。实验结果证实热对流对液滴蒸发速率具有明显促进作用。     

饱和蒸气密度、焓和蒸发潜热的通用对比态推算式

本文提出了新的饱和蒸气密度的通用对比态推算式,并分别以标准沸点下的蒸发潜热和临界温度与标准沸点温度之差为基准,对蒸发潜热和温度无量纲化导出了工质蒸发潜热通用对比态方程,结合饱和液体焓通用对比态方程导出了饱和蒸气焓通用对比态方程,揭示出饱和蒸气焓通用对比态方程为双变量函数,除有温度变量外还包含有表示物质差异的变量。对多种物质的文献值计算比较,以上方程的总的平均绝对偏差分别为0.43％、0.87％和O.35％。     

蒸汽爆炸粗混合过程中的蒸发阻力模型

在蒸汽爆炸的粗混合过程中,由于液体的快速蒸发,高温金属液滴的周围会产生一层很薄的蒸汽膜,此时液滴周围的边界层流动与没有液体蒸发时有很大的不同,因此,常温情况下的小球在连续液体中运动时的通用阻力模型在这种情况下是不适用的．本文通过受力分析,考虑了高温小球受力的分布和表面蒸发对小球周围力的影响,从阻力的基本机理上分析了蒸发状态下小球的运动阻力,分别提出了高温颗粒穿过自由表面时与其在液体中运动时的蒸发阻力模型．分析表明,当小球温度高于2500 K,特别是在靠近自由表面的区域,由于小球表面液体蒸发而产生的蒸发阻力作用非常明显．分析指出,小球的入水初速、小球表面的液体蒸发速率以及汽膜厚度都是影响小球运动阻力大小的重要因素．     

考虑金属蒸汽的钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析

基于局域热平衡状态假设并考虑金属蒸汽的作用, 建立了钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用的三维数学模型. 电弧等离子体的热力学参数和输运系数由温度和金属蒸汽浓度共同决定, 并使用第二黏度近似简化处理金属蒸汽在氩等离子中的输运过程. 在考虑熔池流动时, 主要考虑了浮力、电磁力、表面张力和等离子流拉力的作用. 通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程的耦合求解, 得到了金属蒸汽在电弧中的空间分布、电弧和熔池的温度场、速度场和电流密度分布等重要结果. 通过与未考虑金属蒸汽的结果对比, 研究了熔池上表面产生的金属蒸汽对电弧等离子体行为的影响, 以及电弧等离子对熔池行为的影响. 结果表明, 金属蒸汽主要富集在熔池上表面附近; 金属蒸汽对电弧等离子体有明显的收缩作用, 而对等离子速度和电势影响较小; 金属蒸汽的出现对熔池上表面速度分布和剪切力分布以及熔池形貌并无明显影响. 求解结果与已有的实验结果和计算结果符合良好.     

Kinetic boundary layers in gas mixtures: Systems described by nonlinearly coupled kinetic and hydrodynamic equations and applications to droplet condensation and evaporation

We consider a mixture of heavy vapor molecules and a light carrier gas surrounding a liquid droplet. The vapor is described by a variant of the Klein-Kramers equation, a kinetic equation for Brownian particles moving in a spatially inhomogeneous background; the gas is described by the Navier-Stokes equations; the droplet acts as a heat source due to the released heat of condensation. The exchange of momentum and energy between the constituents of the mixture is taken into account by force terms in the kinetic equation and source terms in the Navier-Stokes equations. These are chosen to obtain maximal agreement with the irreversible thermodynamics of a gas mixture. The structure of the kinetic boundary layer around the sphere is then determined from the self-consistent solution of this set of coupled equations with appropriate boundary conditions at the surface of the sphere. For this purpose the kinetic equation is rewritten as a set of coupled moment equations. A complete set of solutions of these moment equations is constructed by numerical integration inward from the region far away from the droplet, where the background inhomogeneities are small. A technique developed in an earlier paper is used to deal with the severe numerical instability of the moment equations. The solutions so obtained for given temperature and pressure profiles in the gas are then combined linearly in such a way that they obey the boundary conditions at the droplet surface; from this solution source terms for the Navier-Stokes equation of the gas are constructed and used to determine improved temperature and pressure profiles for the background gas. For not too large temperature differences between the droplet and the gas at infinity, self-consistency is reached after a few iterations. The method is applied to the condensation of droplets from a supersaturated vapor, where small but significant corrections to an earlier, not fully consistent version of the theory are found, as well as to strong evaporation of droplets under the influence of an external heat source, where corrections of up to 40 % are obtained.     

基于气体放电等离子体射流源的模拟离子引出实验平台物理特性

离子引出过程是原子蒸气激光同位素分离中非常重要的物理过程之一,而其中关键的等离子体参数(等离子体初始密度和电子温度等)均会对离子引出特性产生影响.基于千赫兹电源驱动的氩气高压交流放电等离子体射流源,建立了离子引出模拟实验平台-2015 (IEX-2015),开发了用于诊断氩等离子体参数的"碰撞-辐射"模型,对等离子体射流区的电子温度和电子数密度等关键参数进行了测量.结果表明,电源输入功率和驱动频率以及工作气体流量均会对等离子体射流区的电子温度和数密度产生影响;在真空腔压强为10~(-2)Pa量级下,射流区电子数密度和电子温度的可调参数范围分别为10~9—10~(11)cm~(-3)和1.7—2.8 e V,这与实际离子引出过程中的等离子体参数范围相近.在此基础上,开展了不同引出电压、极板间距和电子数密度条件下初步的离子引出实验,所得到的离子引出电流变化规律亦与实际原子蒸气激光同位素分离中的离子引出特性定性一致.上述研究结果验证了在IEX-2015上开展离子引出模拟实验的可行性,为后续深入开展离子引出特性的实验研究准备了良好的条件.     

Nonlinear effects in gases in the Couette problem

The nonlinear processes of heat and mass transfer in a rarefied gas confined between two infinite parallel plates maintained at different temperatures and moving at a relative velocity are considered. The profiles of the gas macroscopic flow velocity, density, temperature, heat fluxes, and shear stress were calculated on the basis of kinetic equations by the discrete velocity method in a wide range of Knudsen numbers at different values of temperature difference between the plates and plate velocities. It was shown that under certain conditions, the direction of gas flow near the “hot” plate can change to the opposite. It was discovered that the longitudinal and normal components of heat flux at a certain temperature difference between the plates change their orientation to the opposite in transition and nearly free molecular regimes.     

毛细管内薄液膜轮廓和传热特性研究

本文认为毛细管的相变传热机理为液膜的导热和表面蒸发;表面蒸发受蒸汽温度、汽液界面的温度以及汽液压力差的共同控制。汽液流动机理为流动受脱离压力梯度、毛细力梯度支配。汽液相互作用机理为存在由于蒸发导致的动量转移切应力和由于汽液流速不同产生的摩擦切应力。提出的物理模型中较为全面地考虑了毛细管内传热、汽液流动及其相互作用。对毛细管半径和传热功率对薄液膜轮廓和传热特性影响程度的计算结果表明,随着毛细管半径的减小、传热功率的增大,蒸发界面区的长度会有所减小,这是针对微小空间得出的不同于常规情况的结论。