圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性研究

压力旋流喷嘴被广泛应用于航空发动机、船用发动机、车用汽油缸内直喷发动机、燃气轮机等动力机械的燃油喷射系统中.以压力旋流喷嘴射流为研究对象,开展了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性问题研究.对于液体射流,以往的研究往往对破碎液滴粒径数量密度分布或速度数量密度分布进行单独研究,对于这两种数量密度分布之间关系的研究较少;从相关性的角度对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布之间的关系进行研究.采用最大熵原理方法建立了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数.对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数进行了讨论,对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径数量密度分布与速度数量密度分布的相关性问题进行了研究.研究结果表明,为了给出正确的圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数,射流守恒约束条件中必须同时包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律;破碎液滴粒径的数量密度分布与速度数量密度分布密切相关;射流旋转强度对破碎液滴粒径数量密度与速度数量密度分布结构影响不大,对破碎液滴粒径数量密度和速度数量密度的分布区域影响较大.      

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理, 完善等离子体激励器数学模型, 提升等离子体激励器扰动能力, 采用粒子图像测速技术, 在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究. 实验时, 将非对称布局激励器布置在平板模型上, 随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内, 从而避免环境气流对测试结果的影响. 基于激励器诱导流场, 分析了激励电压对诱导射流特性的影响, 揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构, 获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程, 计算了卷起涡脱落频率, 阐述了卷起涡与启动涡的区别, 初步探索了卷起涡的耗散机制. 结果表明: (1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性, 激励电压是影响射流特性的重要参数. 当电压较低时, 诱导射流为层流射流; 当电压较高时, 诱导射流的雷诺数提高, 射流剪切层不稳定, 层流射流逐渐发展为湍流射流. (2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构; 在固定电压下, 这些涡结构存在恒定的卷起频率. (3)当激励电压较高时, 流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形, 引起了流场湍动能增大, 从而加速了卷起涡的耗散. 研究结果为全面认识激励器射流特性, 进一步挖掘激励器卷吸掺混能力, 提升激励器控制能力积累基础.      

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理,完善等离子体激励器数学模型,提升等离子体激励器扰动能力,采用粒子图像测速技术,在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究.实验时,将非对称布局激励器布置在平板模型上,随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内,从而避免环境气流对测试结果的影响.基于激励器诱导流场,分析了激励电压对诱导射流特性的影响,揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构,获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程,计算了卷起涡脱落频率,阐述了卷起涡与启动涡的区别,初步探索了卷起涡的耗散机制.结果表明:(1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性,激励电压是影响射流特性的重要参数.当电压较低时,诱导射流为层流射流;当电压较高时,诱导射流的雷诺数提高,射流剪切层不稳定,层流射流逐渐发展为湍流射流.(2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构;在固定电压下,这些涡结构存在恒定的卷起频率.(3)当激励电压较高时,流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形,引起了流场湍动能增大,从而加速了卷起涡的耗散.研究结果为全面认识激励器射流特性,进一步挖掘激励器卷吸掺混能力,提升激励器控制能力积累基础.     

星系螺旋结构三维密度波的流体动力学理论(Ⅰ)——局部解及局部Jeans稳定性的讨论

本文是作者的盘状星系三维密度波工作的第一部分.文中给出了在厚度参数ε及准单色波参数ε_*的一级近似下的波传播方程及其局部近似解,并讨论了星盘厚度对局部Jeans稳定性判据的影响.这些结果是进一步建立整体模式解理论的准备.     

双环状电极大气压等离子体射流的时间分辨诊断

大气压等离子体射流在众多领域中发挥着至关重要的作用,其中,拥有双环状电极结构的射流装置表现十分突出,此类装置具有结构简单、放电稳定的优势,并且产生的射流长度较长、温度较低.本工作利用ICCD相机采集技术,对高频高压交流电源驱动的双环状电极等离子体射流进行了纳秒级时间分辨诊断.研究发现,在一个完整的放电周期内,存在两个明显的放电阶段,分别位于外加电压的正、负半周期的峰值附近,并且在正半周期的放电阶段中,亮度、射流长度、放电发展速度均明显强于负半周期,值得注意的是,仅在负半周期的放电阶段中,才能观察到等离子体离开管口自主向前传播的现象.本工作对于了解等离子体动力学过程,揭示等离子体的行为规律及优化等离子体设备等诸多方面有积极地推动作用.     

变质量密度简支梁横向振动的模态局部化

结构动力学领域的模态局部化现象最早由Hodges发现，主要发生在周期结构中．例如螺旋桨之类的循环对称结构、连续梁以及通信天线等大型空间桁架结构。发生摸态局部化现象时．振动能量集中于结构局部，容易造成结构破坏。实际上．模态局部化现象已经造成了一些损害．特别是在航宅航天领域。目前研究模态局部化现象时主要采用简单模型，例如周期分布的弹簧质量系统、均匀连续粱，O．O．Bendiksen研究了密度周期分布杆的纵向和扭转振动，求解了该问题的控制方程Mauthieu方程。本文基于Floquet解用Fourier级数法求解了变质量密度简支梁的横向振动问题，得到了固有频率和模态、并观察到了固有频率分组现象和模态局部化现象。求解特征值问题的过程中应用了连分式技术，有效的提高了计算精度。     

基于格子玻耳兹曼的等离子体射流中粉末热运动数值模拟

为了探索快速有效的数值计算方法用于研究等离子体射流中粉末群的热运动状态,本文采用格子玻耳兹曼方法计算等离子体射流,使用随机算法跟踪颗粒,模拟了等离子体射流中粉末的加热和运动。计算结果表明:颗粒温度的变化比速度快,颗粒高速区比高温区的范围大。离射流出口越近,沿射流横截面颗粒轴向平均速度和温度波动越大,能获得沿射流横截面方向温度速度较高且分布均匀的位置区间为距离射流出口150 mm~200 mm。实测的粒子温度与速度和计算结果吻合较好,验证了本模型的有效性。论文研究为等离子体加工工艺条件的制定提供了依据。     

托卡马克中凯尔文-亥姆霍尔茨不稳定性与密度分布及速度分布的关系

近年来,在托卡马克装置实验中观察到等离子体环的密度及环向速度沿半径都有变化。当反平行中性束注入时,密度分布对应空洞型温度(即中心温度低而外侧高),等离子体的稳定性变坏。本文对密变分布和速度分布对等离子体环的凯尔文-亥姆霍尔茨稳定性的影响分别进行了研究,得出,在托卡马克实验参数范围内,密度沿半径的分布会使凯尔文-亥姆霍尔茨稳定性变坏,从而为反平行注入对等离子体约束有明显破坏提供了一种可能的解释。     

六相交流放电再入飞行器热环境地面模拟研究

再入飞行器高速飞行过程中,其表面受到强烈的气动加热作用,所产生的复杂高温气体环境会破坏飞行器材料,影响飞行器结构的可靠性.因此,基于地面装置实现高速飞行器再入过程中表面热环境的模拟,对于再入飞行器的热防护测试具有十分重要的意义.文章基于数值模拟,分析了工作气压的变化对等离子体中非平衡能量输运过程以及等离子体气体温度等参数的影响规律,提出了通过改变工作气压来调节等离子体冲击壁面的热流密度的方法.基于此,首先以表面热流密度和加热时间与真实飞行条件下一致为原则,基于六相交流电弧放电等离子体实验平台,产生了大体积、高气体温度,且壁面热流密度可调的等离子体电弧射流.然后,对采用酚醛浸渍基碳热防护材料的烧蚀体进行了地面烧蚀实验,在壁面热流密度为1.07～3.95 MW/m2范围内获得了与文献报道吻合较好的实验结果,初步验证了该方法的可行性.对高速再入飞行器典型部件进行了烧蚀实验,在壁面最高热流密度为5 MW/m2的实验条件下,获得了与空间飞行实验吻合良好的地面模拟实验结果.这表明在不采用高成本风洞的前提下,本论文所提出的地面模拟实验方法可在一定程度上模拟飞行器再入过程中的表面热环境.     

激光干涉诊断ETC发射装置产生的等离子体射流

叙述了用光楔错位干涉与高速摄影技术诊断电热化学（ＥＴＣ）发射装置中等离子体发生器产生的等离子体射流的方法，研究了等离子体射流与毛细管几何尺寸以及电源供能的关系。该方法有助于改进电热化学发射装置中等离子体发生器的设计及其效能的提高。     

零重力条件下低温射流抑制大尺寸液氢储罐热分层的数值研究

液氢是一种常用的沸点低、易蒸发的空间低温推进剂. 空间微重力环境中浮力对流被极大减弱,当推进剂储罐壁面存在局部漏热时,储罐内部气液两相流体系会出现环绕漏热源的热分层现象,引起局部过热沸腾,导致储罐内部压力急剧增大,危害系统结构安全. 利用低温射流抑制储罐热分层现象是一种有效手段. 低温流体通过设置在储罐内部的射流喷嘴与储罐内部的流体混合,消减局部高温,实现温度的均匀化. 采用全充满的二维大尺寸储罐模型,对零重力条件下液氢储罐内局部漏热引起的热分层现象开展了数值模拟,主要分析了位于靠近储罐底部的漏热带以及出口衔接段漏热带漏热形成的局部热分层现象的抑制和消除,并研究了不同低温射流条件对于消除零重力条件下液氢储罐内部热分层效果的影响. 研究结果表明对于大尺寸储罐,当采用圆形射流喷嘴且低温射流条件相同时,射流喷嘴的位置对罐体内部热分层消除效果影响不是很明显. 当射流喷嘴位于储罐内部同一相对位置且入射流量相同时,圆形射流喷嘴因出流方向更集中,罐内流场演变更快,消除热分层比半球形射流喷嘴更有效.      

非平衡等离子体对甲烷–氧扩散火焰影响的实验研究

利用自主设计的等离子喷注器采用介质阻挡放电方式产生非平衡等离子体,首先利用纹影技术、热电偶、单点红外测温等多种诊断方法实验研究了纯氧放电等离子体的电学特性、热效应及气动效应,然后通过可见光和化学自发辐射成像技术获得了火焰形态及特征参数,详细分析了等离子体对甲烷–纯氧扩散火焰形态和释热的影响,并计算了放电功率及费效比.结果表明,燃烧导致放电电流显著增大,其中电压幅值与氧气流速对放电电流大小的影响规律正好相反;与空气等离子体相比,相同流量与电压条件下氧等离子体放电功率较高,但其发光强度明显较弱;氧等离子体热效应微弱,对燃烧的影响可以忽略,放电反应中释热过程主要由含氧组分决定;放电产生了具有3个速度分量的诱导射流,增大了氧射流角,且电压越大越显著.等离子体主要通过气动效应改变了燃料与氧化剂的掺混,使得一定条件下火焰变得更稳定、释热更强.在所研究的范围内等离子体作用的费效比最低仅为2.2%,大流量、小混合比更有利.     

非平衡等离子体对甲烷——氧扩散火焰影响的实验研究

利用自主设计的等离子喷注器采用介质阻挡放电方式产生非平衡等离子体,首先利用纹影技术、热电偶、单点红外测温等多种诊断方法实验研究了纯氧放电等离子体的电学特性、热效应及气动效应,然后通过可见光和化学自发辐射成像技术获得了火焰形态及特征参数,详细分析了等离子体对甲烷--纯氧扩散火焰形态和释热的影响,并计算了放电功率及费效比. 结果表明, 燃烧导致放电电流显著增大,其中电压幅值与氧气流速对放电电流大小的影响规律正好相反;与空气等离子体相比, 相同流量与电压条件下氧等离子体放电功率较高,但其发光强度明显较弱; 氧等离子体热效应微弱, 对燃烧的影响可以忽略,放电反应中释热过程主要由含氧组分决定;放电产生了具有3个速度分量的诱导射流, 增大了氧射流角,且电压越大越显著.等离子体主要通过气动效应改变了燃料与氧化剂的掺混,使得一定条件下火焰变得更稳定、释热更强.在所研究的范围内等离子体作用的费效比最低仅为2.2％,大流量、小混合比更有利.      

同轴交叉射流的轴线速度

研究了射流交叉角度和密度比对同轴交叉射流流场的影响。基于动量守恒原理,提出了考虑径向流动和密度差别的同轴交叉射流的当量直径和当量速度。当量速度与Dual PDA的实验结果较为吻合。该法可较好地描述射流交叉角度、密度比对轴线上轴向速度的影响。     

等离子体激励气动力学探索与展望

等离子体激励气动力学是研究等离子体激励与流动相互作用下, 绕流物体受力和流动特性以及管道内部流动规律的科学, 属于空气动力学、气体动力学与等离子体动力学交叉前沿领域. 等离子体激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度、物性变化, 对气流施加的一种可控扰动. 局域、非定常等离子体激励作用下, 气流运动状态会发生显著变化, 进而实现气动性能的提升. 国际上对介质阻挡放电等离子体激励、等离子体合成射流激励及其调控附面层、分离流动、含激波流动等开展了大量研究. 等离子体激励调控气流呈现显著的频率耦合效应, 等离子体冲击流动控制是提升调控效果的重要途径. 发展高效能等离子体激励方法, 通过等离子体激励与气流耦合, 激发和利用气流不稳定性, 揭示耦合机理、提升调控效果, 是等离子体激励气动力学未来的发展方向.      

水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件.实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度.前人基于Rayleigh-Plesset气泡理论和"Bjerknes"力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理.本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究.然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程.研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在"正反馈效应",从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理.射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小.本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.     

水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件. 实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度. 前人基于 Rayleigh-Plesset 气泡理论和 “Bjerknes” 力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理. 本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究. 然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程. 研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在“正反馈效应”,从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理. 射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小. 本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.      

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度修正的RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod)水翼和采用射流后的水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理.结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响.回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累.在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果.Q准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落.而射流对空穴和回射流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.     

等离子射流与渐扩边界中液体工质相互作用特性的模拟实验

为了探索整装式液体工质电热化学炮中药室边界形状对燃烧控制的影响,采用数字高速录像系统对等离子体射流在液体工质中的扩展过程进行了测试,研究了不同放电电压、不同喷嘴直径、不同渐扩边界结构下等离子射流与液体工质的相互作用特性.获得了等离子射流在液体工质中扩展形态的时间序列图,处理出不同工况下Taylor空腔扩展的轴向位移与时...     

桥墩-冰塞-局部冲刷相关问题研究进展

桥梁建设改变了河流的边界条件、水流条件和河床泥沙的运动状态,冬季河流中有冰塞出现时则产生相互影响作用.近年来,基于冰塞稳定性力学分析,开展了桥墩影响下冰塞稳定性研究,所得桥墩影响下冰塞稳定性判别公式计算结果和实测资料能够较好得吻合;研究了桥墩对河道卡封以及临界流凌密度的影响,计算得到的临界流凌密度与实验值较为接近;介绍了明流、冰盖下桥墩周围局部冲刷等方面的相关研究工作,得出了冰盖条件下桥墩局部最大冲刷深度的回归经验公式,结果表明该公式具有很好的适用范围.对冰塞条件下桥墩附近局部冲刷问题探索性地开展了试验研究,研究表明,冰塞条件下的局部冲刷与冰盖条件下有着很大不同,不仅冲刷深度要大的多,而且桥墩周围局部冲刷过程与冰塞厚度变化相关.在冰塞条件下,桥墩处的最大冲刷深度和最大冲刷长度均随流速增大而增大,冲刷坑尾部淤积沙丘高度也受到流速的影响.就相关研究难点和今后需要进一步开展的研究工作进行了分析和展望.