发动机中的关键流体力学问题专题序

化学燃料发动机通过燃料与氧化剂燃烧, 将化学能转换为工质动能, 使机械结构运动或形成高速射流产生冲量而产生动力. 其中, 吸气式发动机利用稠密大气中的氧气, 大幅降低氧化剂携带需求, 具有较高的能源转换效率; 增压式发动机依靠自身增压系统实现燃料和/或氧化剂增压输运, 具有较强的环境适应性. 针对多种天地活动需求, 不同的动力循环方式有效支撑了各类运载任务, 是运载系统的关键技术之一.      

基于平面度的燃料电池电化学性能模拟

 固体氧化物燃料电池的翘曲会影响电极-盖板界面的接触情况，从而影响电化学性能，对相关制造工艺提出了很大的挑战．为了分析燃料电池平面度对放电过程的影响，揭示其潜在的风险，我们建立了两个基于有限元法的仿真模型，对考虑平面度缺陷的燃料电池封装和放电进行分析．在对固体氧化物燃料电池进行平面度测量的基础上，首先建立了具有真实燃料电池翘曲特性的几何模型，分析封装过程中接触压力的分布情况．然后将接触电阻的仿真结果导入到三维多物理场耦合模型中，模拟具有平面度缺陷的燃料电池电化学性能．计算结果展示了燃料电池两侧封装过程中接触压力的分布情况．通过对比有接触电阻和无接触电阻的燃料电池电流密度，分析了电池与盖板的接触对放电过程的影响．结果表明，燃料电池的凹陷面较难达到满意的接触状态，需要比凸起面更大的封装压力．燃料电池表面接触电阻的变化将引起电流传导路径的变化，产生局部高电流或低电流．这项工作强调了在燃料电池中保持均匀分布的接触电阻的重要性，为今后的优化工作奠定了基础．     

非晶态固体的结构可以决定性能吗?

晶态固体的力学性能与塑性变形主要由结构缺陷,比如位错的运动决定.而在非晶态固体中结构如何决定性能,仍然是固体力学、材料学和凝聚态物理学共同关心但尚未解决的核心问题之一.传统材料学研究的经典范式为"结构决定性能".遵循这一信条,已经有大量的实验表征与理论、模拟研究,尝试将非晶态固体的某种结构特征与性能建立一一对应关系.但是,科学界对于非晶固体结构-性能关系成立与否,以及背后隐藏的规律知之甚少.本文针对非晶态固体的变形机制以及其微结构特征,基于分子动力学模拟,定量评估短程简单结构与中长程复杂结构在决定非晶态固体动力学性能方面的效用.通过海量抽样每种具体玻璃结构的激活能(标识激发难易程度),尝试将结构参数与激活能建立定量关系,从而揭示出非晶态固体结构-性能关系的隐藏主控因素为结构的空间关联,受限比几何结构本身更关键.只有某种结构在空间上呈现亚纳米级的空间关联长度,这种完备结构才有可能有效地决定非晶态固体的力学性能,而短程简单结构则无效.进一步,给出了评价非晶态固体结构预测性能有效性的普适定量方法,为建立广义无序物质的结构-性能关系提供了筛选准则.     

高超声速溢流冷却实验研究

高超声速溢流冷却是一种新型的飞行器热防护方法,基本思想为:在高热流区布置溢流孔,控制冷却液以溢流方式流出,之后通过飞行器表面摩阻作用展布为液膜,形成热缓冲层以降低飞行器表面热流.目前,溢流冷却技术还处于探索阶段,实现工程应用前还需开展大量的实验验证和机理研究工作.本文首次开展溢流冷却的实验研究工作,采用热流测量、液膜厚度测量及液膜流动特性观测技术,搭建了完善的溢流冷却风洞实验平台,对溢流冷却热防护性能和高超声速条件下液膜流动规律进行了初步研究.研究表明:(1)高超声速流场中通过溢流能够在飞行器表面形成液膜并有效隔离外部高温气流,可降低飞行器表面热流率;(2)楔面上的液膜前缘流动是一个逐渐减速的过程,增加冷却液流量液膜厚度变化不明显,但液膜前缘运动速度增大;(3)液膜层存在表面波,在时间和空间方向发生演化,导致液膜厚度的微弱扰动;(4)液膜层存在横向展宽现象,即液膜层宽度大于溢流缝宽度.原因是液膜层与流场边界层条件不匹配,存在压力梯度,迫使冷却液向低压区流动,从而展宽液膜层,并且流量越高,横向展宽现象越明显.     

INFLUENCE OF SHAMPOO ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF HUMAN HAIRS1)

头发的弹性和抵抗意外拉断的能力是人们非常关注的指标。为了迎合这一需求,有些厂商推出了具有所谓“强韧”发质功效的洗发水,但其实并不清楚是否真能使头发变“强韧”。为此,针对市场上常见的一种标称具有“强韧”功效的洗发水,通过拉伸力学实验对头发洗护前后的力学性能进行了对比研究。结果表明,用洗发水处理后的头发,屈服应力下降,意味着头发更容易过早进入塑性变形;抗拉强度、最大应变减小,意味着头发抵抗外力拉断的能力下降;杨氏模量下降,说明头发抵抗弹性变形的能力变差。综上,所研究的洗发水对“强韧”发质没有帮助。 关键词: 头发,洗发水,力学性能,强度,韧性     

关于非均匀系统局部平均压力张量的推导及对均匀流体的分析

由维里定理导出的适用于均匀系统的平衡态压力张量表达式可以分成两部分:动压力张量和位形压力张量.人们进而对平衡的非均匀系统进行物理分析得到了局部平均压力张量表达式.本文用更为简洁的方法推导出这一表达式.给出以原子直径为长度单位的局部平均尺寸L~* 8条件下均匀流体系统平均位形压力中的三部分贡献项(体贡献项、面贡献项和线贡献项)与L~*的理论关系式(含有待定参数);以氩原子气体为例,在温度180 K、原子数密度0.8下,对原子间采用林纳德-琼斯势进行了分子动力学模拟,给出了0.4≤L~*≤17条件下三项贡献及总位形压力的模拟曲线,确定了L~* 8条件下理论关系式中的待定系数,并得到在L~* 2时,随着L~*的增大,体贡献项从正压单调下降并趋于负的总位形压力,面贡献项和线贡献项都单调上升并趋于零,但线贡献项趋向零最快.从物理上解释了小尺寸L~*下各项行为的复杂特点.得出L~*足够大,才可以忽略面贡献项和线贡献项,而在纳米尺度下,忽略面贡献项和线贡献项,也就是忽略边界效应会给计算带来明显的误差.最后通过分子动力学模拟得出位形压力随着温度的升高而升高.这些结论对于压力张量的分子动力学模拟计算时选项的最优化是有意义的.     

中国科学院力学研究所的创建过程

中国科学院力学研究所是在钱伟长任主任的中国科学院数学研究所力学研究室的基础上,与北京大学、清华大学合作创建的.该文记述、展示了力学所的建所背景、创建过程、钱学森在创建力学所的日子和他的建所思想,以及重要人物在中科院院务会议讨论成立力学所时提出的发展要求和希望.最后介绍了中科院力学所创建时的人员组成.     

弹塑性介质中空洞的长大与剪切分叉

本文利用Eulerian坐标系下弹塑性大变形基本公式及分叉屈曲的理论,采用有限元数值法,探索平面应变条件下具有幂硬化弹塑性材料,在不同位移加载参数及不同原始孔洞体积百分数下,材料内部空洞的长大、剪切分叉以及材料宏观力学行为.计算结果表明,宏观材料的软化、塑性可膨胀性、内部损伤的发展以及剪切分叉的临界应变值等,都与加载参数α、原始空洞尺度有着密切的关系.     

球形封闭容器内一个简单的煤粉燃烧爆炸模型

在分析了大量球形封闭容器内煤粉燃烧爆炸实验数据基础上，考虑了煤粉燃烧爆炸机理所涉及的湍流燃烧、相变、各种化学反应动力学过程等复杂因素，并且对球形封闭容器内由于煤粉混合不均匀造成的燃烧不充分给予了考虑，得到了球形封闭容器内煤粉燃烧爆炸特征的数值计算结果，计算的压力－时间曲线与实验结果符合较好。