主动脉瓣倾斜角度血流动力学的 PIV 实验研究

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明:当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.      

卡鲁塞尔氧化沟反应器三维流场体视PIV测量

采用体视PIV(Stereoscopic PIV)技术对卡鲁塞尔氧化沟模型直道、弯道及曝气叶轮段等处三维全场流速进行测量,克服了传统接触式点测量方法无法获取全场流动同步信息的缺陷,分析了不同位置处的流动结构,并对纵、横、垂三向流速沿程分布特点进行了研究和比较.结果表明,纵、垂两向的流动分布是决定沟内水力特性的主要因素;横、垂两向的流动是决定污泥沉积位置的主要因素;外沟靠近曝气叶轮直道段的流速分布上大下小,使低速区底部易发生污泥沉积;外沟远离曝气叶轮直道段流速分布上小下大,利于防止泥水分离;弯道段受横比降和横向环流的影响使内侧容易形成低速区或停滞区而发生污泥沉积;倒伞型叶轮使其附近流场在垂向呈螺旋形分布,利于气、液、固三相的均匀混合.     

仿生推进装置翼盘变速运动的数值仿真与试验研究

根据水母游动原理扩展设计了一种仿生推进装置,该装置以曲柄滑块机构驱动剪式结构串联体、两端仿生合页式翼盘,实现大行程直线往复运动的仿生推进.在数值分析的基础上,根据仿生推进装置运动的特点,运用直线位移与拉压力传感器,对翼盘在水中运动时的推进力及运动位移进行测试和数据采集.考虑运动过程中翼盘速度变化,运用FLUENT软件对不同张角的翼盘产生的推进力进行数值仿真.通过仿真与试验分析,并以推进力最大化为原则,确定了翼盘最大张角为160°,推进力仿真值与实际测试值基本吻合,初步验证了所提出仿真方法准确性.     

自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能,特别是近水面航行时,自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证;随后,用验证后的模型试验方法对...     

基于PIV测量的超声波流量计内流场特性研究

采用PIV(Particle Image Velocimetry)测量手段,考察了小口径超声波流量计的流动特性。首先针对前端安装直管段时,不同流量条件下的流场特性建立基本认识,实验结果表明,在低流量条件下,流量计内流场存在明显的不稳定演变和非定常流动特征。进一步以上游前端安装球阀为典型案例,考察了安装条件对超声波流量计响应特性和测量偏差的影响。结合直管段的实验观测结果,发现此种结构超声波流量计的适应性与其流场非定常性的关系具有很好的一致性,即流场结构稳定则适应性强。此外,综合多参数的实验结果表明,雷诺数是判断小口径超声波流量计测量准确性的重要无量纲参数。     

自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.      

圆柱绕流局部冲刷机制的实验研究

采用粒子图像测速技术和粒子图像识别技术研究了冲刷坑的演化过程及局部冲刷的流体动力机制。首先研究了动床条件下圆柱周围的床面演化过程,给出垂直对称面输沙率随时间变化以及圆柱下游垂直对称面的沙颗粒浓度和泥沙分布规律;其次针对典型冲刷坑形状固定底床,测量了圆柱下游的瞬时流场,并给出平均流场。结果表明尾流区平均剪应力较低,但垂向涡量和湍流强度较高。分析指出平均剪应力较低的尾流区域,局部冲刷的主要动力机制是尾涡和湍流的综合作用。     

水平分布三气泡运动特性研究

为研究孔径、间距对三气泡运动特性的影响规律,本文利用高速相机和粒子图像测速仪观察三喷嘴气泡的运动过程,分析间距与孔径对三气泡的轨迹、速度、偏移量的影响,并与单气泡和双气泡进行对比,获得间距与孔径对气泡的影响规律以及流场对气泡的运动影响。实验结果表明,气泡数目的增多会使气泡运动轨迹更加复杂;气泡间距和孔径的增大或减小,对气泡的速度、流场、偏移量和运动轨迹都会产生影响。     

合成射流对失速状态下翼型大分离流动控制的试验研究

为研究低速状态合成射流在抑制翼型气流分离和推迟失速方面的控制机理, 开展了NACA0021 翼型失速特性射流控制的风洞试验研究. 通过系统性的模型测力、翼型瞬态流场粒子图像测速和边界层速度测定的对比试验, 深入探索了合成射流各参数对翼型失速特性控制效果的影响规律. 试验结果表明射流偏角在翼型升力和失速迎角控制方面的效果对射流动量系数较为敏感: 当动量系数较大时, 近切向射流的控制效果更好. 射流动量系数为0.033 时, 偏角30°的射流使得翼型升力系数峰值提高23.56%, 失速迎角增大5°; 而动量系数较小时, 偏角较大的射流能够获得最佳控制效果. 射流动量系数为0.0026 时, 法向射流对翼型最大升力系数控制效果最好(提高9.2%).      

线性规律功能梯度材料断裂行为实验研究

焦散线方法与高速摄影技术结合,对线性规律功能梯度材料的I型静、动态断裂特性进行实验研究,并利用有限元软件进行数值模拟. 首先推导了线性规律功能梯度材料静、动态裂尖的焦散线初始曲线方程和参数方程,提出通过迭代方法根据功能梯度材料的复杂焦散线方程求解应力强度因子. 为对比材料梯度对断裂行为的影响,利用重力沉降法制备了3种梯度变化规律的试件. 然后对功能梯度材料试件进行三点弯曲实验,通过CCD和高速摄影装置采集试件焦散线图像,提取各种静、动态断裂参数. 最后通过与有限元模拟结果进行对比,证明在功能梯度材料断裂实验中焦散线方法的有效性,并详细分析了不同梯度变化规律对材料静、动态断裂性能的影响.      

不同铝粉尺寸含铝炸药加速金属能力的研究

对铝粉直径从几十纳米到几十微米的几种含铝炸药,进行了小尺寸装药条件下炸药加速金属平板实验,用激光速度干涉仪测量了金属平板自由面速度,比较了几种炸药对不同厚度金属平板的加速时间和加速能力。分析了铝粉在炸药爆轰中的反应情况。在小尺寸装药下,铝粉加入炸药和铝粉尺寸大小对炸药爆轰性能有明显影响。纳米铝粉使炸药作功能力有较大提高。含铝炸药爆轰中,铝主要在爆轰后期与爆轰产物反应。     

爆轰波与激波对撞的实验研究

对乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波的正面对撞现象的实验研究是以高速摄影获取两波对撞的x-t纹影图,以烟迹板记录对撞中的爆轰胞格图案,并基于激波理论和经典CJ爆轰理论求解了两波对撞的稳态解并探寻其规律. 研究发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这一结果对应于一维理论分析中的CJ解. 透射波系基本不受初始压强影响;初始温度也只成比例地改变流场整体速度,温度越高,速度越快;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大. 两波对撞存在一个有限的转变阶段,透射爆轰首先减缓,接着迅速迸发为过驱爆轰,然后再逐渐平衡为CJ爆轰. 对于强不稳定的燃气,对撞后爆轰波在空间上的发展极不均衡,一些区域发生火焰面与诱导激波的严重脱离,随后的火焰面失稳发展为诱导激波区内的爆轰波,实验观察到了这种爆轰在烟迹板上留下的极为精细的迹线.      

粉尘火焰加速现象的实验研究

粉尘火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转捩的机理是个至今尚未弄清的问题。需要解决的技术关键之一是在实验室实现弱点火条件下的粉尘火焰加速直至达到爆轰状态。着手发展了一种球形喷粉扬尘装置，令产生的扬尘湍流在水平实验管中形成空间均匀分布和维持秒级悬浮的粉尘云状态。采用以上扬尘装置的水平实验管，在６ｇ黑火药的六点平面点火条件下获得了微细铝粉火焰经５ｍ长的传播过程加速至１０００ｍ／ｓ的实验结果。给出了扬尘湍流强度、粉尘粒度与浓度、点火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用，及变截面效应（由小变大）对粉尘火焰减速的影响。     

充填泥沙裂隙岩石渗流特性的实验研究

对人工充填泥沙裂隙岩石在MTS815.02电液伺服岩石试验系统上进行渗流实验, 同时结合岩石孔隙电子显微照片, 探讨了泥沙颗粒对裂隙岩石渗透特性的影响规律. 实验表明, 在泥沙颗粒的作用下, 裂隙岩样渗透率明显减小; 泥沙颗粒在岩样宏观裂隙中运移达到重新平衡之后, 裂隙岩样渗透率随时间逐渐增大并最终趋于稳定.     

实验研究具有周向抽吸轴对称射流的拟序结构

基于实验研究具有周向抽吸轴对称射流拟序结构的动力学行为,定义了临界出口主速度以及超临界工况（低速工况）和亚临界工况。提出了超临界工况下,拟序结构的空间演化特征。基于功率谱确定了超、亚临界工况流动系统发生自激励振荡的速度比范围。     

收缩湍流场中标量扩散的实验研究

在近似均匀各向同性湍流场中加一个收缩段,对所得到的非各向同性湍流中温度混合层和热尾流作了初步实验研究。实验测量结果表明,它们在收缩段被“压缩”后又继续扩展,在实验的范围内(即发展初期)两者的T,(?)和(?)剖面具有相似性。     

水泥粉煤灰加固有机质土的试验研究

对于高有机质含量的泻湖相软土,单纯采用水泥不能有效提高该软土的力学性能,因此提出了采用水泥和粉煤灰作为固化剂的加固方法。通过不同水泥掺入量、粉煤灰掺入量和龄期下水泥土的无侧限抗压强度试验,分析了水泥粉煤灰固化土的强度规律和变形规律,探讨了水泥和粉煤灰加固高有机质含量软土的机理。结果表明,粉煤灰对于水泥试块的早期强度影响较小,对后期强度影响较大;粉煤灰最佳掺入量为12％,超过此掺入量水泥土强度反而会降低,粉煤灰水泥土的破坏应变、E50也在粉煤灰掺量为12％时分别达到最低值和最大值。水泥掺加粉煤灰可有效地提高高有机质含量软土的强度。     

含金属微粉泡沫材料中爆炸波衰减规律实验研究

设计并制备了一种新型的聚氨酯泡沫材料,研究了爆炸波在该材料中的衰减规律. 材料的主要设计原理是在聚氨酯材料中均匀混合了10$\mu$m量级的金属微粉,以提高骨架的吸热能力,从而提高其抗爆性能. 搭建了实验平台并分别测量了爆炸波在相同孔隙率下含金属微粉和不含金属微粉的聚氨酯材料,同时测量了不同金属微粉含量的聚氨酯材料中的传播特性. 实验结果表明：含金属微粉的聚氨酯材料具有更好的抗爆性能.     

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为研究轻钢增层结构的动力特性,本文详细介绍了以有机玻璃为模型材料轻钢增层结构采用共振法试验的方法．将共振法测试到的模型动力特性,与理论计算作了对比,二者具有较好的一致性,并对试验结果进行了理论与计算分析．