基于TDLAS的水蒸气非平衡凝结过程研究

目前国内开展的高超声速飞行器地面模拟试验,尤其是较大尺度的高焓试验,大部分在燃烧加热风洞中进行。气流在喷管的膨胀加速过程中温度快速降低,可能导致其中的水蒸气发生急剧凝结,这一过程会带来试验流场参数的改变。为了考察水蒸气的凝结过程,提出"空间转化为时间"思想,即将喷管中气流参数沿喷管流向的变化转换为膨胀过程中固定位置气流参数随时间的变化,设计搭建了一套模拟喷管凝结过程的试验装置,通过调节连接段最小截面积实现不同的时间尺度,采用片光技术实现凝结现象的观测,同时根据水蒸气和甲烷吸收光谱获得凝结过程中的温度变化以及水蒸气含量变化。结果表明:在试验段内通过片光可以观测到水蒸气的凝结现象;不同时间尺度下凝结过程中的温度变化趋势相近,均为先下降后上升,在温度趋势发生变化的时间点附近,水蒸气摩尔分数迅速下降,这一变化趋势与燃烧加热风洞喷管流动中参数变化的数值模拟结果具有较好的一致性;这种"空间转化为时间"的试验方案可以在一定程度上模拟喷管中水蒸气的凝结过程。     

管风洞设计中的某些问题

管风洞构造简单,提高贮气压力较易。因为试验段气流驻点压力与贮气压力之比决定于贮气管道与喷管喉道面积之比。只要提高贮气压力就能提高试验段流动雷诺数。因此,小型设备也能达到足够高的雷诺数。如果结合低温技术,雷诺数还能进一步增加。     

高超声速点泉流场中的气动力

高超声速点泉流场是一种典型的非均匀来流流场。很多高速高焓地面实验设备,如具有锥型喷管的激波管风洞、炮风洞、电弧风洞等,其流场均具有高超声速球型膨胀的点泉流动特征。某些外部绕流也是如此。我们要用简便而正确的解析方法确定这种非均匀来流中物体的气动力,分析非均匀来流对压力分布及各种气动特性的影响。已有的一些     

横向磁场对电离非平衡高速气流的作用

本项工作从实验和理论两方面研究横向磁场对电离非平衡高速气流的作用。在小型电弧风洞中可以将试验气流的电子密度降低约一个数量级,为部分地控制低密度电弧风洞气流的电特性品质提供了一种技术途径。     

收缩段线型对超音速喷管氟原子气相复合的影响

使用移轴维氏曲线和双三次方曲线作为收缩段线型分别设计了两种环形 HYLTE主喷管，给出了环形HYLTE喷管三维的多组分有反应湍流场的控制方程、边界条件和 模拟区域的选择. 计算结果表明，这两种线型的喷管均能避免边界层的分离，获得均匀的流 场分布及相同的出口马赫数分布，但移轴维氏曲线在收缩段前部收缩快速，气流速度相应较 快，因此F原子的气相复合程度弱于另外一种收缩段设计的喷管，相应地，使用移轴维氏曲 线设计的喷管F原子流量比另外一种喷管高5%左右, 因此使用移轴维氏曲线作为环形HYLTE主喷管收缩段的设计有助于提高化学激光器的效率.     

铱丝静电探针及其在高温风洞中应用

本文介绍一种可测量高温气流电子密度、电子温度等参数的静电探针,并给出适用于空气等离子体的探针理论曲线。这种铱丝探针已成功地应用于电弧风洞。     

超声速气流磁流体加速初步实验研究

利用激波风洞, 采用氦气驱动氩气, 在平衡接触面运行方式下得到高温气体,通过在低压段注入电离种子K₂CO₃粉末, 实现高温条件下导电流体的产生, 设计了超声速喷管及磁流体加速实验段, 采用大电容提供电能, 开展了超声速气流磁流体加速初步实验研究. 典型实验条件下, 当喷管入口总压为0.7049MPa、理论平衡温度为8372.8K, 喷管出口马赫数为1.5, 电容充电电压为400V, 磁感应强度为0.5T时, 对电压电流特性、电导率、负载系数、电效率、加速效果等进行了测量或计算, 主要结论有: 磁场作用下的超声速气流的电导率的值大约在150S/m; 磁流体加速通道负载系数约为4, 电效率约为28%, 平均输入功率约198kW; 采用电参数测试方法对磁流体加速效果进行评估, 速度增加约15.7%;超声速气流的电导率对加速通道的电效率及加速效果等有很重要的影响.      

采用NND方法计算三维喷管气流场

本文运用NND显式差分格式,计算了三维喷管气流场。气流场计算的基本方程为一般贴体坐标系下三维守恒型的欧拉方程。采用了时间分裂法和Steger-Warming矢通量分裂技术。在喷管内沿周向的每个由轴线和壁面构成的子午面上根据泊松方程生成贴体网格。本文运用三维程序计算了轴对称JPL喷管,同时与实验结果和前人采用轴对称二维程序所计算的结果做了对比。最后,本文还计算了三维矢量喷管,计算结果与现有的实验结果一致。通过轴对称JPL喷管和三维矢量喷管的计算考核,表明建立的算法和编写的计算程序是正确的。文中提出了采用子午面形式的贴体网格时奇性轴的处理方法。计算结果表明在喷管壁面处,马赫数与压强的计算结果与实验值吻合较好,而在喷管轴线处,只有当网格较密时,才能得出与实验结果接近的计算结果。     

高焓喷管层流边界层分析

本文导得了适用于高焓、高M数锥形喷管层流边界层排挤厚度δ~*、动量厚度θ和边界层厚度δ的简便计算公式.喷管喉部上游假设为平衡流,喉部下游视为化学与振动冻结流.δ~*和δ均表示为喷管几何参数、喷管喉部参数及喷管所求点无粘流参数的显函数形式而不是积分形式,因此特别适宜于此类喷管的工程设计.本公式计算结果与国外发表的风洞实验测试数据进行了比较(详见本文图2及表3),结果是令人满意的.     

路基不均匀沉降的解析解

如何准确地计算路基的不均匀沉降是铁道工程中急待解决的重要问题.本文用应力扩散法和等效截面法的思想建立了在路堤荷载作用下分析路基不均匀沉降的平面应变模型,它由两段不同土质的路基组成,土的力学参数沿深度按指数规律变化.建立了广问题的基本方程和边界条件.对问题的解进行了拆分,一部分是猜测的解,另一部分用Fourier变换方法...     

功能梯度压电、压磁柱对称问题的振动分析

本文在不考虑体力、体电流和体电荷的情况下, 假定压电、压磁柱壳的材料参数沿圆柱厚度方向呈幂函数分布时, 研究了径向载荷作用下功能梯度压电、压磁空心柱壳的空间柱对称径向振动问题. 首先在柱坐标系下, 由功能梯度材料的参数、本构、梯度和平衡方程推导得出外激励作用下以Bessel函数表示圆柱壳的应力、电势、磁势等物理量的稳态解, 进而对空间柱对称的压电、压磁功能梯度材料动力控制问题进行了理论分析. 可以看出, 当梯度参数时, 即完全退化为横观各项同性压电、压磁柱对称的振动问题, 与文献[16]的基本方程为柱坐标下得出的结果一致. 最后给出数值算例, 结果表明材料不均匀性对沿径向振动各物理量的显著影响, 且用一个特定不均匀性参数值可以优化电磁力耦合的性能, 这在现代工程设计中尤为重要.     

功能梯度压电、压磁柱对称问题的振动分析

本文在不考虑体力、体电流和体电荷的情况下, 假定压电、压磁柱壳的材料参数沿圆柱厚度方向呈幂函数分布时, 研究了径向载荷作用下功能梯度压电、压磁空心柱壳的空间柱对称径向振动问题. 首先在柱坐标系下, 由功能梯度材料的参数、本构、梯度和平衡方程推导得出外激励作用下以Bessel函数表示圆柱壳的应力、电势、磁势等物理量的稳态解, 进而对空间柱对称的压电、压磁功能梯度材料动力控制问题进行了理论分析. 可以看出, 当梯度参数时, 即完全退化为横观各项同性压电、压磁柱对称的振动问题, 与文献[16]的基本方程为柱坐标下得出的结果一致. 最后给出数值算例, 结果表明材料不均匀性对沿径向振动各物理量的显著影响, 且用一个特定不均匀性参数值可以优化电磁力耦合的性能, 这在现代工程设计中尤为重要.     

功能梯度压电、压磁柱壳问题的振动分析

本文在不考虑体力、体电流和体电荷的情况下,假定压电、压磁柱壳的材料参数沿圆柱厚度方向呈幂函数分布,研究了径向载荷作用下功能梯度压电、压磁空心柱壳的空间柱对称径向振动问题.首先在柱坐标系下,由功能梯度压电、压磁空心柱壳的参数、本构、梯度和运动方程推导得出外激励作用下以Bessel函数表示圆柱壳的应力、电势、磁势等物理量的稳态解,进而对空间柱对称的功能梯度压电、压磁柱壳的动力控制问题进行了理论分析.进一步可以看出,当梯度参数β=0时,即完全退化为横观各向同性压电、压磁柱对称的振动问题,与文献[20]的基本方程为柱坐标下得出的结果完全一致.最后给出数值算例,数值结果表明,材料不均匀性对沿径向振动各物理量有显著影响,且用一个特定不均匀性参数β值可以优化力电磁耦合的性能,这在现代工程设计中尤为重要.     

跨音速湿空气非平衡凝结流动的数值研究

跨音速流动条件下湿空气中的水蒸气由于快速膨胀而发生非平衡凝结,凝结潜热对跨音速气流进行加热,会显著改变气流的流动特性。通过对商用计算流体动力学软件FLUENT进行二次开发,建立了湿空气非平衡凝结流动的数值求解方法。该方法可用于二维或三维、粘性或无粘、内流或外流的求解中。采用该方法分剐对缩放喷管、透平叶栅以及绕CA-0.1圆弧翼型的湿空气非平衡凝结流动进行了数值分析。计算结果表明：湿空气凝结手l起缩放喷管中的凝结激波、导致叶橱流动中总压降低;对于翼型周围的流动,在相对湿度分别为50％、57．1％、64.1％时,依次计算得到了单激波、五激波、双激波。     

高超声速风洞发展述评

国外高超声速风洞的发展现状风洞是研究气体和物体相互作用的地面模拟设备,为了在实验段得到高超声速而不使气体冷凝,必须在喷管前对气体加压和加热,高超声速风洞的型式很多,其差别就在于压缩和加热气体的物理过程不同,从而造成了气流参数和工作时间的不同.要提高参数,工作时间就要缩短.但测试的困难又要求有一定的工作时间.这两方面的协调是高超声速风洞发展中的重要问题.     

基于扰动波的HVAS液滴耦合振动特性分析

高速电弧喷涂过程中熔融金属液滴的振动特性对喷涂涂层性能具有决定性作用,但限于实验技术很难检测液滴的动力学行为,因而利用扰动波理论建立了气流和液滴的耦合振动方程组,并数值求解获得了喷涂气流最不稳定波数,与Bradley的数据曲线进行了比较,二者呈现出较好的吻合性,误差在士2％之间,验证了所建立的HVAS小扰动液滴模型是有效的;根据HVAS液滴耦合振动模型分析了不同喷涂气流及其速度对不同熔融金属的相应HVAS液滴振动特性。结果表明,HVAS过程中用N2具有一定的优势,且增加气流速度有利于提高喷涂涂层的结合强度,从而为HVAS过程中的材料选择与工艺控制提供了基本的理论依据。     

导弹水下点火推力峰值问题的数值研究

通过对燃烧室内燃气采用常微分控制方程,对喷管-燃气泡流场采用准一维模型,数值研究了导弹水下点火初期推力峰值与燃气泡初始体积、喷管尾盖打开压强、发射深度等参数的关系。对水流场采用势流理论并通过边界元方法求解,水流场和燃气泡流场由交界面上的压力连续和速度连续条件相互耦合;利用准一维气流场模型计算得到的结果表明导弹在水下点火后瞬间所受推力将急剧增大,与利用球形气泡模型得到的结果一致。计算结果还表明推力峰值随着燃气泡初始体积的增加迅速降低,随着喷管尾盖打开压强的增加而增大,随尾盖质量的增加而增大;在一定范围内发射深度的变化对推力峰值影响较小,计算结果可为工程设计部门提供参考。     

低湍流风洞

北京大学湍流研究室建成了一座精密的低湍流风洞,该风洞是一座能产生一股速度脉动和温度脉动都非常小的均匀气流的实验设备。技术关键是如何降低气流内的速度脉动值。由于风洞设计上采取了直流,闭口和吸入式的空气动力方案和其他正确技术措施,并精密加工,这样风洞就达到了气流均匀、平稳、湍流度低于0.08％的指标。风洞的实测值是0.05％左右。该风洞除可进行流动的稳定性,湍流发生的机理性基础实验外,还可进行一般的基础应用性实验,如减阻、风载、分离流动等实验研究。同时由于风洞很精密,也可以用作标定各类流速传感器的标准计量风洞。     

高填方路堤强夯效果的现场检测及三维有限元模拟

针对河南某岩石碎渣高填方路堤,提出了夯击能1000kN·m、虚铺厚度1.5m的强夯施工工艺,对试验段进行了现场检测：地质雷达波形较好地反映强夯后虚铺层厚度的减小幅度,并可判断强夯水平有效加固范围为4m,瑞利波速沿深度变化比较均匀,平均值达到了310m·s-1,重型动力触探结果表明试验段达到中密程度,灌水法测得的固体体积率都达到了83%以上,上述检测结果说明强夯的加固效果比较理想。采用ABAQUS有限元分析软件,将夯锤简化为刚性体,通过施加竖向初速度的方式模拟了强夯作用,结合雷达测试结果,认为夯沉量20mm可作为强夯的有效加固范围,最后模拟了存在涵洞结构物的路堤的强夯作用,指出涵洞上方路堤厚度必须达到8m以上,才能保证强夯安全作业。     

激光诱导荧光法显示超音速化学激光器的全流场

连续波化学激光器中,两股超音速气流的扩散混合情况相当复杂,激光器性能在很大程度上受扩散混合过程的控制。因此,流场显示诊断以及流速测量等,对于这类器件来说是至关重要的。人们采用诸如阴影法、纹影法、干涉法、相干反斯托克斯喇曼光谱法、激光多普勒测速计以及全息干涉法等探测手段来显示和诊断流场,以期更好地了解超音速流混合的具体过程。然而,由于连续波化学激光器喷管尺寸小、腔压低(即气体密度低)以及气流速度高等缘故,上述方法都有各自的困难和局限。