非对称射流形成的几何理论(一)

两股来流碰撞形成非对称射流问题的定常解具有不确定性，理论上尚未很好求解。从分析特殊射流形成入手，由定常出流所满足的最小动能原理出发，分析来流初始交汇位形和相互作用过程，建立了非对称射流形成的方程封闭条件，提出了非对称射流形成的几何理论。以平面二维不等厚度来流碰撞为例，给出了非对称射流出流方向、厚度随初始位形变化的理论预测曲线，与数值模拟结果吻合较好。     

聚能线型切割器最佳张开角的理论分析

本文按不可压缩流体模型,研究滑移爆轰作用下,聚能线型切割器在三维碰撞下形成射流的理论。讨论了射流速度,穿甲流体模型的条件,射流分散对切割效果的影响,并推出了能量取极大值时的最佳金属罩张开角。     

金属表面正规斜碰和射流极限角

利用激波极曲线方法,研究和计算了金属表面的超音速正规碰撞,给出了金属表面对称和非对称碰撞产生激波的强度,并给出了有关碰撞产生射流的极限角。     

爆炸焊接界面碰撞压力的计算

本文通过数学推导给出爆炸焊接时相对于碰撞点的来流速度与材料压缩率之间的关系,介绍了任意材料组合在对称碰撞和非对称碰撞时按可压缩流体计算驻点压力的方法,并同习惯采用的按不可压缩流体计算驻点压力及按等效正碰撞计算的激波压力进行比较。发现在对称碰撞时,按不可压缩流体计算的驻点压力比按可压缩流体计算的驻点压力为小。而在非对称碰撞时,按准对称碰撞不可压缩流体计算的驻点压力则大于按非对称碰撞可压缩流体计算的驻点压力。 文章还讨论了爆炸焊接下限应按等效正碰撞来计算压力的最小值。而在正常的可焊范围内,由于再入射流的存在将使正碰撞的激波压力计算值失真,加上碰撞点附近压力分布不均匀,应以驻点压力来表征其碰撞压力。但计算这个压力时不可忽略材料的实际可压缩性,尤其是在非对称碰撞情况下更不能忽略。     

爆轰波波形与药型罩结构匹配对杆式射流成形的影响

为提高杆式射流对钢靶的侵彻能力,设计了一种偏心亚半球药型罩,通过爆轰波碰撞理论推导出药型罩压垮速度,并结合改进的PER理论建立了杆式射流成形的模型。分析了药型罩结构参数对爆轰波碰撞压力的影响规律,获得了等质量变壁厚药型罩射流质量及速度分布的变化规律。结果表明:马赫反射压力随偏心距的增大而增大,随外壁曲率半径的增大而减小,而正规斜反射压力与马赫反射压力变化规律相反,且马赫反射压力受药型罩结构影响较大;通过对比不同方案,罩顶与罩口部厚、中间薄形状药型罩形成的射流质量提高了29.5%,头部速度提高了21.3%,且速度梯度最大,相同炸高条件下侵彻深度提高了约2倍装药直径。针对优化结构进行了数值模拟和实验验证,通过对爆轰波波形与药型罩结构合理的匹配设计,使形成的杆式射流成形及侵彻性能得到显著提升。     

射流对空腔噪声抑制效果研究

高速空腔流动的流场结构非常复杂,在一定条件下存在严重的压力、速度等脉动,诱发强烈的噪声,声压级可达到170dB,对腔内的导弹及其自身结构安全构成很大的威胁。应用基于两方程剪切应力(SST)的尺度自适应(SAS)分离流模型的CFD技术和气动声学频域理论(FW-H积分方程),模拟了射流对二维M219空腔(长深比L/D=5)内气动噪声变化情况,研究了空腔流动特性、流场结构及发声机理。在此基础上,首先对比分析了不同射流位置对空腔噪声的抑制情况,以此确定一个工程上可实现的射流位置;然后,对比分析了不同射流状态(不同的射流流量、温度)对空腔噪声的抑制情况。由此可知,跨音速(Ma=0.85)条件下,采用不同的射流状态对空腔噪声具有不同的抑制效果,其中随着射流量及射流温度的增大,噪声抑制效果更加明显。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON LIFT INCREMENT OF A PLASMA CIRCULATION CONTROL AIRFOIL

利用等离子体激励器发展了新型的环量增升技术,并对二维NACA0012翼型绕流实施控制。由于NACA0012翼型为尖后缘构型,环量增升装置由2个非对称型介质阻挡放电等离子体激励器构成。一个等离子体激励器贴附于翼型吸力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流沿来流方向指向下游;另一个等离子体激励器贴附于翼型压力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流与来流方向相反指向上游。在风洞中通过时间解析二维PIV系统对翼型绕流流场进行了测量,基于翼型弦长的雷诺数Re=20 000。结果表明在等离子体激励器的控制下,翼型压力面靠近后缘处可以形成一个定常回流区,从而起到虚拟气动外形的作用,因此翼型吸力面的流场得到加速,压力面的流场得到减速,使得翼型压力面的吸力以及压力面的压力都得到增加,进而增加了翼型的环量。风洞天平测力实验进一步验证了该环量增升技术的有效性。在整个攻角范围内,施加控制的翼型的升力系数相比没有控制的工况有明显的提高。     

等离子体环量控制翼型增升的实验研究

利用等离子体激励器发展了新型的环量增升技术,并对二维NACA0012翼型绕流实施控制.由于NACA0012翼型为尖后缘构型,环量增升装置由2个非对称型介质阻挡放电等离子体激励器构成.一个等离子体激励器贴附于翼型吸力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流沿来流方向指向下游;另一个等离子体激励器贴附于翼型压力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流与来流方向相反指向上游.在风洞中通过时间解析二维PIV系统对翼型绕流流场进行了测量,基于翼型弦长的雷诺数Re=20000.结果表明在等离子体激励器的控制下,翼型压力面靠近后缘处可以形成一个定常回流区,从而起到虚拟气动外形的作用,因此翼型吸力面的流场得到加速,压力面的流场得到减速,使得翼型压力面的吸力以及压力面的压力都得到增加,进而增加了翼型的环量.风洞天平测力实验进一步验证了该环量增升技术的有效性.在整个攻角范围内,施加控制的翼型的升力系数相比没有控制的工况有明显的提高.     

井下多股淹没射流水力清岩能力分析

研究石油钻井井下射流的水力清岩能力对钻井业有重要意义。本文借助于预处理方法和多块网格对接技术由计算机数值模拟了形状复杂的钻井PDC钻头井底下的多股淹没射流流场。为体现井底有岩屑时射流场对其的清洗作用。文中借助河流泥沙运动理论，分析了岩屑在井下的受力与运动以考虑固相的作用。因岩屑主要为推移运动。在井底除环空外的大部分地方可简化视为二维运动。提出了钻头井底水力清岩能力的体现参数-水力挟岩力。并通过数值模拟显示了井下流场，描述了转速，射流流量，喷嘴面积，射流雷诺数及井下过流空间等流场控制参数对井底水力清岩能力的不同影响，指出相关水力参数在射流时的优化方向。为复杂的井底流场控制和钻头的合理设计做探索基础。     

二维温差异重流湍流射流

本文研究半无限空间二维温差异重流湍流射流特性。考虑到浮力对射流的影响,对雷诺应力作了新假设,然后,在小Richardson数情形求得一级近似方程的精确解,得到了与现有理论不同的结果。与实验进行了比较,它们有很好的一致性,本文结果在小Richardson数情况是适用的。     

平面应变各向异性本构关系及在应力波传播模拟中的应用

为了研究平面应变条件下各向异性材料中应力波传播的特点,利用各向异性弹性Hooke定律、 Tsai-Hill屈服准则、经典塑性流动理论,引入修正的物态方程计及高压下的体积压缩非线性,建立了平面应 变条件下正交各向异性复合材料的弹塑性本构关系,并且分析了二维问题中材料变形引起的主轴旋转及客 观应力率修正问题。最后采用动态显式有限元方法自行编写程序模拟某种纤维增强复合材料碰撞过程中平 面应力波的传播,模拟结果显示,在平面应变条件下应力波在该材料的传播过程中表现出明显的二维效应、各 向异性特点及弹塑性特点。     

滑移爆轰作用下的金属复板运动

滑移爆轰作用下全属复板运动过程是一个二维不定常问题,迄今还没有个严格的解析解。本文在忽略引爆端部影响的定常假设下,根据Prandtl-Meyer的绕流理论和Lighthill的活塞理论给出了二维近似解析解。将不同质量比和不同爆速条件下的计算结果同闪光X光照片比较,通常,角度误差为1～2。     

高压泄爆导致的二次爆炸

基于计算结果和相关实验结果，通过理论分析，对高压泄爆导致的二次爆炸机理进行了系统的阐述。泄爆后，泄出的高压可燃气体在泄爆口附近形成可燃云团，由于欠膨胀，云团内存在稀疏波低压区和Mach干高压区。火焰射流泄出后，在一定条件下，可使Mach干高压区内的可燃云团爆炸式燃烧，压力迅速上升，以致产生二次爆炸。     

水舌空中左右碰撞的水力特性及其作用下的河床基岩冲刷平衡深度估算

应用紊动射流理论和水流动量方程，提出了水舌空中左右碰撞时合水舌的碰撞流速矢量、碰撞消能效率的计算公式。分析和比较了水舌空中左右碰撞与上下碰撞方式下合水舌的碰撞角，碰撞消能效率和其空中扩散方面的差异，提出了水舌空中左右碰撞作用下河床基岩冲刷平衡深度的一种估算方法。以模型实验资料验证，预测值和实测值基本吻合。因此表明，对水舌空中碰撞的水力特性分析是正确的，河床基岩冲刷平衡深度的估算方法是合理可行的。研究成果可为高坝下游消能防冲参考。     

机器—基础柔性隔振系统的功率流试验研究

在对楼层安装机器柔性耦合动力系统功率流理论研究的基础上，本文进一步从实验观点研究了机器—基础柔性隔振系统的功率流传递谱。建立了柔性隔振系统实验模型和功率流测试分析系统，从能量观点对机器—隔振器—弹性基础耦合系统的振动传递机理进行了实验研究。通过对称和非对称系统的功率流对比实验，揭示了功率流传递谱的非对称效应，验证了理论分析的正确性。     

熔喷双槽形喷嘴气体射流流场初探

在熔喷非织造布加工中,气体射流作为工作介质使聚合物熔体实现拉伸,气体射流流场的研究对熔喷气流拉抻数学模型研究非常重要。熔喷双槽形喷嘴形成的流场可以看作两股平面射流的合成。从单个点涡的性质出发,研究了涡偶的性质和涡偶代替射流的可行性。研究表明,在喷丝孔轴线附近,涡偶和射流的速度分布趋势相同,且有比较相近的速度分布,从而说明以涡偶代替射流是可行的。在此基础上,用两个涡偶分别代替两股射流,然后进行合成,推导出两股射流合成后速度分布的理论公式,该公式的计算结果与实验结果吻合较好。将该公式引入熔喷气流拉伸数学模型,预测出的纤维直径与采用经验公式时的预测结果几乎完全相同。结果表明,应用涡偶代替射流推导出的气流速度分布公式能够较好地描述熔喷双槽形喷嘴气体射流流场,可以用于完善熔喷气流拉伸数学模型。     

快速颗粒流碰撞应力的动理模型

颗粒碰撞是快速颗粒流的动量传递,能量传递及耗散的主要机制。因此,碰撞应力是快速颗粒流研究的主要内容。本文基于大小均匀、光滑圆球颗粒的非弹性碰撞模型,类比气体分子动理论中的处理方法得出快速颗粒流积分形式的碰撞应力,能量传递通量及能量耗散率等关系。在颗粒速度分布函数的一级近似式符合Maxwell分布的假设下,对碰撞应力积分得出相应于Boltzmann方程二级近似解的碰撞应力表达式。在简单快速颗粒流动条件下,本文的理论结果与实验资料符合较好。     

绕流直接数值模拟误差分析

对于无边界绕流问题的计算流体力学模拟通常是将物体置于“足够大”的槽道中，而通过不断改变槽道尺寸以及离散网格密度，后验对比方式来检查模拟误差。本文结合多种经典流场理论，提出一种简单的先验误差估计方法来确定槽道尺寸以及相应的网格分布。在此方法中，对于槽道尺寸的确定基于线性叠加原理（即在极小雷诺数下采用Stokes理论解叠加，而在其他雷诺数条件下采用势流理论解叠加），来估计槽道尺寸对绕流结果的影响。而对网格尺寸与分布，则是使用多项式逼近中的基本误差分析工具，应用到速度边界层，远场势流，以及Rankine涡等简单流动，从而确定整个绕流问题中的离散误差。为了验证前面的理论分析结果，本文模拟了相当大雷诺数范围内的二维翼型以及三维圆球绕流，所得数值结果非常好地验证了理论分析。结果表明，对于Stokes流动问题，槽道尺寸需要大约100倍于物体特征尺寸来保证其结果与无边界绕流相差不超过1%；而在雷诺数超过大约100时，槽道尺寸只需10倍（二维绕流）或者5倍（三维绕流）于物体特征尺寸来达到同等精度。在此先验误差估计方法可应用于一般化的绕流问题。     

光滑粒子模拟方法在超高速碰撞现象中的应用

简要介绍了基于黎曼解的光滑粒子法,并将改进的SPH方法应用于超高速碰撞,对二维轴对称条件下的弹丸超高速碰撞薄板问题进行了数值模拟,研究了靶板厚度、弹丸速度、弹丸形状等因素对形成碎片云的影响。通过与实验数据比较,该算法模拟的碎片云的形状及特征与实验相吻合,验证了光滑粒子法对冲击动力学问题数值模拟的有效性。     

应用二维频移LDV测量多孔板管流的湍流特性

采用二维ＬＤＶ系统对圆管中装有四孔板和三孔板的湍流特性进行了实验研究．在孔板下游射流沿管轴逐渐混合．沿管壁可以观察到反向流区域．经足够长距离后，轴向和切向湍流度逐渐趋于相同数量级．实验结果表明，孔板结构和开孔度对湍流特性有重要影响．