质子交换膜燃料电池电流密度分布特性和研究展望

质子交换膜燃料电池具有无污染、噪声低、能量密度高、燃料转换效率高、响应速度快的显著优点,得到了迅速发展,但寿命仍然是制约其大规模商业化的重要原因。局部电流密度作为质子交换膜燃料电池运行过程中的重要参数,既能作为电池运行过程中的故障诊断和定位工具,提升电池运行的稳定性和和耐久性;又能提供电池运行期间其内部现象的有关信息,为深入理解电池反应机理以及优化电池设计提供有力指导,因此研究局部电流密度具有非常重要的意义。本文介绍并分析了实时原位测量局部电流密度的方法,比较了前人实验所得结果与模拟所得结果,阐述了相关参数对局部电流密度分布的影响机制,回顾并评析了局部电流密度用于燃料电池分析中的实际工作。最后,立足于局部电流密度的研究现状,给出了局部电流密度下一步的研究方向。     

平面叶栅气动试验研究进展与展望

平面叶栅气动试验传统上是验证压气机、涡轮的基元性能的主要手段, 近年来国内外研究人员利用平面叶栅开展了大量的流动测量试验, 以揭示叶栅内部复杂流动现象的本质和规律、探索减小叶栅内流动损失的方法. 本文从试验装置、测试技术和研究内容三个方面, 综述了近年来平面叶栅气动试验研究的进展情况. 首先介绍了平面叶栅试验装置的发展及提高平面叶栅试验段流场品质的措施; 其次介绍了叶栅气动试验采用的部分流场测试技术, 包括叶片表面压力场、叶片表面温度场、内流速度场及流场可视化等测试技术, 分析了这些测试技术的进展和存在的问题; 然后梳理了近年来平面叶栅试验研究的相关科学问题及进展, 包括跨音速叶栅中的激波研究, 叶顶间隙泄漏流动研究, 叶型优化研究, 多尺度非定常旋涡结构研究, 振动环境下叶栅流场研究等; 最后对平面叶栅气动试验研究方向进行了展望. 通过了解叶栅内复杂流动现象及本质, 为进一步探索和提高压气机、涡轮的气动性能提供技术支撑.      

典型连接结构螺栓的附加弯矩形成机理与承载能力研究及结构优化设计

针对典型连接结构中, 高强螺栓在受拉工况下因产生附加弯矩而极大削弱其承载能力的问题, 开展了螺栓附加弯矩产生的机理研究, 并提出了一种有效降低螺栓附加弯矩的结构优化设计方法. 首先, 建立典型连接结构的等效力学模型, 推导出螺栓附加弯矩的解析解, 进一步开展数值仿真分析, 验证了解析方法的正确性. 考虑螺栓同时承受拉弯耦合载荷工况, 引入梁塑性弯曲理论, 研究了不同拉弯组合下的螺栓截面各类应力分布的交互关系, 并给出了考虑轴力影响的弯矩塑性折减系数. 基于最大应力破坏准则, 开展了考虑附加弯矩和弯曲塑性影响的螺栓载荷失效判据研究, 该判据更加具有工程应用价值. 从机理出发, 开展典型连接结构优化设计以降低螺栓的附加弯矩进而提高其承载能力, 进一步采用解析方法, 阐述了铰支球头的工作机理. 采用数值仿真方法, 开展了螺栓附加弯矩灵敏度分析, 验证了优化设计方法的有效性. 进一步开展试验研究, 获得不同连接状态下螺栓的附加弯矩, 验证了优化设计方法的正确性和可行性. 该方法能够极大降低高强螺栓的附加弯矩, 最大程度发挥螺栓的承载能力, 提高连接结构的可靠性.      

个体水平间距对群组中扑翼气动性能的影响

研究群组中个体之间的非定常流动机理,可以为仿生飞行器集群运动提供理论基础。采用基于有限元的计算流体力学方法,对前飞状态的扑翼群组个体之间水平间距对气动性能的影响进行研究。研究发现,水平间距对扑翼气动性能具有显著影响。在一定的垂直间距下,群组中扑翼可以在较小的水平间距下获得最佳的推力性能,在较大的水平间距下可以获得最佳的升力性能。扑翼气动性能的变化主要与群组中前翼和后翼的脱落涡相互作用密切相关。     

Optimization designed large-stroke MEMS micromirror for adaptive optics

A novel micromirror based on the PolyMUMPs process is designed and presented. The hexagonal micromirror with a diameter of 450 μm consists of three supporting bilayer cantilevers and a mirror plate. The bilayer cantilevers, formed with a polysilicon layer and a gold layer, elevate the mirror plate according to residual stress-induced bending. Both analytical and finite element analysis (FEA) models are built to calculate the elevated height of the free end of the cantilever. The analytical solution is in accordance with the FEA simulation results, with longitudinal stresses applied only. Results of a three-dimensional (3D) simulation with two direction stresses applied also show the elevated height to be proportional to the width of the cantilever and the length of the gold layer. Due to the torque of the joint, the elevated heights of the two kinds of cantilevers assembled with the mirror plates are much smaller than those of the free end of the cantilevers. Both micromirrors with different cantilevers are fabricated. The elevated heights of the fabricated micromirrors are measured using Veeco optical profiler, which show good coincidence with simulation results.     

基于变分有限元方法的S809翼型的改进设计

翼氆的升力和阻力特性直接影响到叶轮机或机翼的性能,传统风力机翼型的外形是基于经验和半经验的方法得到,本文采用变域变分有限元方法,以NREL S809翼型为原形,通过改进其叶片表面的目标压力分布,进行该翼型的改进设计,并对新设计出的翼型在0°～20°攻角范围内进行CFD数值模拟,得到的结果与原始S809翼型在升阻力系数,...     

采用微分求积法分析薄板的气动弹性响应

为减轻结构重量，新一代飞行器的结构设计中更多地采用了薄壁结构，在超音速或超高音速飞行条件下，薄板的气动弹性响应相当剧烈。分析薄板的气动弹性响应方法主要有两类：第一类为经典的伽辽金方法；第二类为有限元方法。受薄板形状和边界条件的限制，伽辽金方法能够研究的问题是非常有限的，有限元方法虽然具有普适性，但本质上属于数值方法，其计算精度和收敛性必将受所选单元类型以及数值计算误差的影响。在薄板的气动弹性分析领域，文中采用一种全新的方法，即微分求积方法。     

运动涡旋脉冲引起的光学畸变

 主要研究了气动噪声对光传输和成像的影响。流场求解采用法福尔平均N-S方程，并分别利用基于MUSCL格式的AUSMPW+分裂和二阶中心格式对流通量和粘性通量进行离散处理；用四步四阶Runge-Kutta格式对方程进行时间推进求解，采用J-B两方程模型并经Sarkar方法进行可压缩修正后用于湍流的数值模拟。采用基于光学传递函数的物理光学方法分析平均流动和湍流对光质的影响。研究表明：涡脉冲在运动过程中会引起光束沿涡脉冲运动方向产生较大的整体偏折，偏折幅度随时间而变，最大偏折幅度可以达到1.7 μrad；在与涡脉冲运动的垂直方向，整体偏折基本可以忽略不记。在涡脉冲横穿光束的过程中，平均流动会导致焦平面光强峰值有两次下降，平均流动对光强重新分布的影响比湍流脉动影响更强。涡脉冲在运动过程中，先导致光束能量在与涡脉冲运动垂直的方向上扩散，随后使之在涡脉冲运动方向上向外转移。因能量向外扩散，导致Strehl比在0.9 s时刻降低到0.60左右。     

污染气体红外光谱鉴别器的优化设计

针对污染气体红外光谱特征分布的复杂性，结合几种线性分类器的特点，通过对每个环节的深入分析，设计出一种混合多叉树状光谱鉴别器。实验结果表明：此光谱鉴别器不仅结构简洁，设计合理，具有很高的分类能力和判别准确率，而且具有较好的灵活性和稳定性，完全满足快速识别的需要，是一种高效的光谱鉴别器。     

基于辐射声功率最小化的安静结构设计

本文研究了一种基于模型修改使结构辐射声功率最小的方法，使用了结构动力学、声学和优化理论等学科知识，对结构修改后固有频率变化可以忽略不计时的声辐射优化进行了研究，将设计变量看作外部阻抗，对结构的表面振速进行了重新分布，可以降低结构辐射的声功率。将质量块与动力吸振器进行组合实现声辐射最小化，不但降低了一定频率范围内的平均声功率，还降低了动力吸振器所对应的单频下的声功率；运用遗传算法搜索结构辐射声功率最小时附加质量块或动力吸振器的位置，对附加质量块和有源控制作用下简支钢板的声功率最小化进行了比较研究，阐明了附加外部结构与有源控制实现安静结构的物理机理。最后，对本文提出的基于平板辐射声功率最小化的安静结构设计方法进行了实验验证。