非结构混合网格高超声速绕流与磁场干扰数值模拟

对均匀磁场干扰下的二维钝头体无粘高超声速流场进行了基于非结构混合网格的数值模拟.受磁流体力学方程组高度非线性的影响及考虑到数值模拟格式的精度,目前在此类流场的数值模拟中大多使用结构网格及有限差分方法,因而在三维复杂外形及复杂流场方面的研究受到限制.本文主要探索使用非结构网格(含混合网格)技术时的数值模拟方法.控制方程为耦合了Maxwell方程及无粘流体力学方程的磁流体力学方程组,数值离散格式采用Jameson有限体积格心格式,5步Runge-Kutta显式时间推进.计算模型为二维钝头体,初始磁场均匀分布.对不同磁感应强度影响下的高超声速流场进行了数值模拟,并与有限的资料进行了对比,得到了较符合的结果.     

INVESTIGATION OF PLASMA DAMAGE PROPERTIES GENERATED BY HYPERVELOCITY IMPACT

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.     

超高速碰撞产生等离子体的毁伤特性研究

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.      

MAGNETO-HYDRODYNAMICS MODELING OF CONFIGURATIONS IN MAGNETICALLY DRIVEN ISENTROPIC COMPRESSION EXPERIMENTS

在一维弹塑性反应流体力学拉格朗日编码SSS 的基础上扩充编制成功的一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,可以计算模拟磁驱动等熵压缩（ICE） 实验中多介质、多空腔的不同厚度平行样品构形（台阶靶） 运动,并且把磁流体计算与模拟脉冲功率驱动源的集中参数外电路方程组直接耦合,不依赖于实验当时测量的驱动电流（电压） 数据,直接根据原始数据对实验样品的力学和电磁学运动过程和各种参数剖面进行数值模拟. 介绍了对于纯铝、钽和塑料粘结炸药等3 种性能不同材料的台阶靶样品ICE 实验的计算模拟,得到了与激光速度干涉测量的不同厚度样品后自由面（或光学窗口界面） 速度历史十分符合的结果,对于实验结果的分析和实验设计的改进具有重要意义. 旨在为磁驱动实验系统的校核、设计和实验构形改进提供有一定预测能力、功能比较完善的计算模拟研究手段.     

磁驱动等熵压缩实验构形的磁流体力学计算模拟

在一维弹塑性反应流体力学拉格朗日编码SSS 的基础上扩充编制成功的一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,可以计算模拟磁驱动等熵压缩（ICE） 实验中多介质、多空腔的不同厚度平行样品构形（台阶靶） 运动,并且把磁流体计算与模拟脉冲功率驱动源的集中参数外电路方程组直接耦合,不依赖于实验当时测量的驱动电流（电压） 数据,直接根据原始数据对实验样品的力学和电磁学运动过程和各种参数剖面进行数值模拟. 介绍了对于纯铝、钽和塑料粘结炸药等3 种性能不同材料的台阶靶样品ICE 实验的计算模拟,得到了与激光速度干涉测量的不同厚度样品后自由面（或光学窗口界面） 速度历史十分符合的结果,对于实验结果的分析和实验设计的改进具有重要意义. 旨在为磁驱动实验系统的校核、设计和实验构形改进提供有一定预测能力、功能比较完善的计算模拟研究手段.      

液体发射药电热化学发射内弹道一维两相流模型及数值模拟

在理论分析的基础上 ,结合实验条件建立了液体发射药电热化学发射内弹道一维两相流数学模型 ,该模型包含电弧等离子体生成和运动、等离子体卷吸液体发射药生成小液滴以及膛内多相流体的相互作用。利用该模型对电热化学发射内弹道过程进行了数值模拟 ,并将模拟结果与实验数据进行了分析比较 ,结果表明模拟结果与实验数据基本吻合。     

等压比热在基于壁面放电的激波控制中的影响

放电等离子体对流动的控制机理可按热效应和非热效应分为两大类,其中放电等离子体的热效应对流场中激波结构有着明显的控制作用. 目前在放电等离子体热激励对激波控制的数值模拟过程中,通常采用等效热源的方式来实现放电的热效应,数值模拟和实验的结果显示放电产生的局部温度可达到上万度. 如果数值模拟的过程中没有考虑到气体等压比热随温度的非线性变化,计算得到的结果是有失真实性的. 本文以5 马赫的超音速进气道为平台,对基于壁面放电的激波控制过程进行了数值模拟. 选取了随温度非线性变化的等压比热,并且将其结果与定等压比热的计算结果进行了对比. 结果发现:(1) 两种等压比热下,计算结果显示放电热激励在激波控制上都有着显著的效果;(2) 两种计算结果在模拟与温度相关的参数(温度、马赫数和总压恢复系数)上的差别非常明显. 因此,为了获得壁面放电对激波控制更真实的计算结果,必须考虑到等压比热随温度发生非线性变化效应的影响.      

基于详细化学反应动力学的激光点火模型

为研究含能材料在激光作用下的点火特性,从基本守恒方程组出发,基于详细化学反应动力学模型,建立了含能材料激光点火的气相模型.利用所建立的模型对RDX在激光辐照下的点火过程进行了数值模拟,得到了点火过程中的瞬时温度分布和组分分布,对点火特性进行了分析.计算得到的不同激光功率密度下的RDX点火延迟时间与文献结果一致.     

带制退器膛口流场的三维数值模拟

利用三维任意坐标 系下Euler方程组和LU分解的数值方法模拟了不带膛口装置的某步枪膛口流场,计算结果与 实验结果比较吻合. 对某口径火炮带有制退器的膛口流场进行了数值模拟,其结果反映了制 退器内外流场的主要特征和冲击波波系之间的相互作用,在数值模拟的基础上分析 了3排侧 孔对制退器性能的影响. 本文提供了有关膛口流场的详细数据,将对制退器总体性能研究有 重要的参考意义.     

铁磁薄板在磁场中变形和应力的理论分析与实验研究

在二维板壳磁弹性理论基本方程基础上,以二维铁磁薄板磁弹性问题为例,建立了含有10个基本未知量的偏微分方程组,再利用Newmark有限等差式,得到了可以应用DOM方法求解的标准型方程组.求解得到了载流铁磁薄板的位移及应力与各电磁量之间的关系,计算了载流铁板在磁场中的变形和应力.同时进行了载流铁磁性薄板在电磁场中变形和应力的实验研究,介绍了电磁场中铁磁性薄板的实验装置和实验方法,给出了实验数据,并将实验结果与理论计算结果进行了分析对比.     

Heat transfer during production of carbon nanotubes by the electric-arc process

The electric-arc process for production of single-wall carbon nanotubes is traditionally conducted in horizontal configuration. Recently, we modified the electric-arc process by placing the cathode above the anode and obtained a significant reduction in nanotube diameters. In this paper, the temperature distribution in the electrodes and the arc, and the temperature and velocity fields in the reactor chamber are characterized through measurement and modeling. The data and the model reveal that the bundles of 0.8 nm single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) grew on the cathode side surface at about 900°C. The 1.4 nm multi-wall nanotubes grew on the cathode base, at about 1500°C. These results concur with the hypothesis that high temperature prevents growth of smaller diameter SWCNTs.     

Spot formation at the anode of high intensity arcs

A simple analytical model is proposed which describes the region between a plane, cooled nonablating anode and an arc column normal to the anode The model takes an initial arc contraction into account due to the low temperature of the anode (“thermal pinch”). The resulting magnetic pinch effect leads to an entrainment of cold gas which determines via an energy balance the final shape of the arc in the anode region. The conservation equations are solved numerically for the anode region with a relaxation method, and results are presented based on atmospheric arcs in nitrogen. Finally, limitations of this model and necessary refinements are briefly discussed; possible extensions of the arc parameter range for future work are proposed.     

Two-temperature model of a plasma under conditions of stationary blowing of a gas through a plasmotron

Results are given of a calculation conducted on the basis of a two-temperature plasma model for a cylindrical arc in a channel with the blowing through of a gas. It is shown that the gas venting leads to the appearance of a considerable separation between the electron and gas temperatures near the wall of the plasmotron and in the cathode zones. The possibilities of the two-temperature model are analyzed from the point of view of an approximate calculation of the electron temperature in arc and induction plasmotrons. It is shown that the electron temperature can be estimated from simple relationships with at least 10% accuracy for induction and 15–20% accuracy for arc plasmotrons.Translated from Zhurnal Prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fiziki, No. 4, pp. 3–12, July–August, 1973.     

高温气体反应流中的物理力学问题

从气体动理论(kinetic theory of gases)的原理出发导出了非平衡条件下高温气体反应流基本守恒方程组.讨论了出现在方程组中的各种通量在非平衡条件下的意义,给出了从微观出发的输运系数表达式.介绍各种物理动理论与化学动理论过程的微观理论,讨论了在非平衡条件下现有理论的困难.     

TIN / Ti 复合膜与多层膜对Ti811 合金高温摩擦性能及微动疲劳抗力的影响

在Ti811钛合金表面分别利用真空阴极电弧沉积技术和磁控溅射技术制备了TiN/Ti复合膜,利用磁控溅射技术制备了TiN/Ti多层膜,测试了膜层的剖面成分分布、膜基结合强度、膜层显微硬度和韧性,对比研究了不同结构膜层对钛合金基材摩擦学性能和高温微动疲劳抗力的影响.结果表明:TiN/Ti复合膜和多层膜均有效提高了钛合金表面的硬度和耐磨性能;电弧沉积TiN/Ti膜层对钛合金高温微动疲劳抗力的改善程度高于磁控溅射TiN/Ti膜层,原因归于电弧沉积TiN/Ti膜层强韧性好、结合强度高,且膜层中的钛颗粒有良好的减摩润滑作用;磁控溅射TiN/Ti多层膜对钛合金高温微动疲劳抗力的改善程度高于磁控溅射TiN/Ti复合膜层,原因是前者韧性高、减摩润滑作用显著.     

Development of the temperature fields in an electric arc struck on a point electrode in a homogeneous gas stream

A study is made of the problem of a point electric source in a homogeneous gas stream and operating in the arc discharge regime. The development of an electric arc struck on a point cathode in a medium which moves without deformation is studied. The stationary problem of a two-dimensional electric arc that develops in a medium with piecewise constant electrical conductivity is solved. Expressions are obtained for the temperature fields, the thickness of the arc, the current-voltage characteristics, and the power in the arc. The stability of this stationary state with respect to short-wavelength perturbations is investigated. The critical electrical current at which instability commences is determined.Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 2, pp. 91–99, March–April, 1981.I thank O. N. Sinkevich and I. M. Rutkevich for discussing the work, and also V. I. Grabovskii and V. A. Mareev for making some calculations.     

Parameters of a closed arc stabilized by a longitudinal flow of argon

This article sets forth the results of an investigation of the temperature, velocity, dynamic head, and static pressure in high-current argon arcs used in plasma metallurgy. It is shown that the velocity and the amount of gas pumped through the column of the arc are determined by the current of the arc. A calculation is made and equations are presented which permit calculating this type of arc on the basis of a simplified equilibrium model. Experiment is compared with theory.Translated from Zhurnal Prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fiziki, No. 1, pp. 66–74, January–February, 1973.     

Natural frequencies of circular arcs with varying cross section

This paper presents a transter matrix method for conveniently predicting the natural frequencies of circular arcs with varying cross section. The equations of in-plane vibration of an arc are written as a coupled set of first-order differential equations by using the transfer matrix of the arc. Once the transfer matrix has been determined, the natural frequencies and the mode shapes of the vibration are calculated in terms of the elements of the matrix for a given set of boundary conditions at the ends of the arc. The numerical results obtained by the method are compared with the experimental results for free-clamped arcs with tapered breadth, which are in good agreement with each other.     

弹性曲梁在机械和热载荷共同作用下的几何非线性模型及其数值解

基于Euler-Bernoulli梁的几何非线性理论,建立了弹性曲梁在任意分布机械载荷和热载荷共同作用下的几何非线性静平衡控制方程。该模型不仅计及了轴线伸长,同时也精确地考虑了梁的初始曲率对变形的影响以及轴向变形与弯曲变形之间的相互耦合效应。应用打靶法数值求解了半圆形曲梁在横向均匀升温作用下的非线性弯曲问题,数值比较了轴向伸长对曲梁变形的影响。