剥蚀引起的球锥体两相绕流效应

基于多学科理论建立了极端环境下球锥体烧蚀、剥蚀的数理模型。利用离散涡方法计算流场与球锥表面压力分布,采用三方程烧蚀模型计算热化学控制机制下的烧蚀速率;引入颗粒轨道模型求解剥蚀颗粒的运动,编程计算高温高压燃烧室内球锥形烧蚀试件的绕流场及剥蚀颗粒的运动轨迹。研究表明：烧蚀对球锥体的绕流影响显著,球锥体的涡云较快地转变为不对...     

模拟Chelyabinsk小行星进入的烧蚀实验

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制:碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.      

ARCJET ABLATION EXPERIMENT TO SIMULATE THE CHELYABINSK ASTEROID ENTRY 1)

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制：碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.     

有序熔楔和转捩

本文研究烧蚀表面上的一种尖楔状沟槽,简称熔楔。实验表明,熔楔是边界层转捩区的一种烧蚀现象;在蜂蜡和一些高温材料的球头上,熔楔排列有序,形成规则图象。在所实验的参数范围内,熔楔的条数保持在20条左右,不随来流马赫数、球头半径和烧蚀材料类型不同而改变。在分析研究熔楔内部结构和外流条件的基础上,本文提出熔楔形成机理和内外流动模型的设想,并对熔楔的形态、分布以及由它引导出菱形花纹等现象作了解释。     

泰氟龙烧蚀对黏性激波层电子密度的影响

采用黏性激波层基本方程组对有无泰氟龙烧蚀两种情况下的钝锥体化学非平衡绕流作了数值求解,以研究泰氟龙烧蚀对流场电子密度的影响规律.算例结果表明:泰氟龙烧蚀确有降低流场电子密度的效应.平衡催化壁工况下这种效应的强度,显著大于非催化壁工况下的强度;远下游截面处的这种效应的强度,显著大于驻点区的强度.此外,通过计算结果分析,对形成上述影响规律的原因作了初步讨论.     

典型部件疏导式热防护试验技术研究

疏导式热防护是一种新型非烧蚀热防护技术,对未来高超声速飞行器发展具有十分重要的意义。为了验证疏导式热防护原理的有效性、合理性和优越性,并考核疏导式热防护技术实现途径的可行性,在传统热防护试验模拟技术的基础上,开发了大功率长寿命电弧加热和对流辐射耦合加热等试验技术,并考核了高温热管球柱疏导模型的疏导效果。电弧风洞试验结果表明:在高温热管球柱疏导模型防热层装入快速导热元件后,可以有效降低驻点高热流区的表面温度,提升低温区的表面温度,从而降低整体温差基本实现非烧蚀。由此可知该试验方法能够满足典型部件疏导式热防护机理探索及性能考核研究的需要。     

拉伸应力区的声速测量、层裂强度和断裂密度

1 引言 在层裂的实验研究中,目前尚无法直接测量发生在材料内部的动态断裂过程。通常采用测量自由面速度剖面,推演出材料层裂特性的方法。在计算材料发生断裂时的拉伸应力即层裂强度时,需要知道拉伸应力即负压下的声速。测量负压下的声速比测量冲击压缩下的声速要困难得多。仅仅从自由面速度剖面并不能计算出负压声速,因为通常无法确定材料中应力由压应力转变为拉伸应力的“位置”、发生层裂的位置以及时间。能否通过特别的实验设计,确定发生这些过程的时一空位置,进而获得负压声速,一直是实验研究者企求解决的问题。下面介绍两种测量负压声速的实验装置设计和计算负压声速、层裂强度和断裂密度的方法,是这方面研究工作的尝试。     

飞秒激光对金属材料表面烧蚀区的XRD分析

在激光脉冲宽度为30fs,重复频率为10Hz,靶面处激光功率密度为1013W/cm2条件下,开展了真空中飞秒激光对铝、铜材料的烧蚀效应研究。对材料表面烧蚀区进行X射线衍射分析的结果表明,材料的表面烧蚀区没有发生相变,X射线的反射强度发生变化,但该区晶面对X射线的反射强度随激光功率密度的增加发生了变化,其衍射峰处出现了明显的展宽并出现分叉,说明该区域的不同晶面对飞秒激光的吸收具有明显的取向作用。     

具有Le_f≠1的反应面理论及其在氧化-升华耦合过程研究中的应用

本文对有质量引射和化学反应的局部相似层流边界层作出反应面理论分析。它导出Le_f≠1情形下的一些传质、传热关系式。作为反应面理论的一个应用,对表面材料的氧化-升华耦合过程进行了研究,阐明了氧化和升华过程从速率控制到扩散控制的过渡机理和转变条件,揭示了速率升华寓于氧化扩散控制区之中这一现象,对石墨驻点烧蚀作了计算,并与实验资料作了比较,两者定量地符合。     

高导C/C材料在疏导式热防护中的应用探索

针对高超声速飞行器飞行时气动加热严重的问题,为了保证高升阻比外形,提出疏导式热防护结构,建立了一套内置高导C/C材料的疏导式热防护结构原理模型,通过数值模拟和电弧风洞的方法对疏导式热防护结构进行了分析,得到内置高导C/C材料的防热效果.数值模拟结果表明来流马赫数为8时,模型驻点温度下降了500度,柱面最低升高了380度,实现了热流从高温区到低温区的疏导,减弱了端头的热载荷,强化了端头的热防护能力.通过电弧风洞试验可以获得相似的结果,内置普通C/C材料表层抗氧化层出现严重烧蚀,而内置高导C/C材料基本不变,验证了数值模拟方法的准确性以及内置高导C/C材料疏导式热防护结构的有效性.     

温度对菱形花纹的影响

研究了温度对蜂蜡和樟脑制成的尖锥模型上的菱形花纹的影响。烧蚀实验在超音速风洞中进行,得到了温度与花纹波长、压力与花纹波长的关系,并分析了温度和压力对出现花纹的起始位置、出现花纹和形成稳定花纹所需要的时间的影响。     

含能材料药型罩的爆炸成型及毁伤作用

为了研究由含能材料制备的药型罩爆炸成型过程及其对目标靶的终点效应,设计了球缺形药型罩的装药结构,放置与药型罩曲率相同的缓冲垫在药型罩和主装药之间,运用高速摄影系统拍摄含能材料药型罩的成型过程。实验结果表明,含能材料药型罩在爆炸作用下能够形成弹丸,弹丸速度2km/s左右。含能弹丸穿透20mm厚的装甲钢靶后反应加剧,形成大量的气体。侵彻过程含动能和化学反应的综合作用,穿孔有明显的烧蚀现象,穿孔口径0.5 D,最大穿深1.4 D。利用含能材料制备成药型罩可以实现炸药的直接驱动,这可为含能材料战斗部的工程应用提供参考。

     

应力脉冲在变截面SHPB锥杆中的传播特性

为研究混凝土材料的动态力学性能 ,将原有的SHPB装置改装成直锥变截面式SHPB。系统分析了应力脉冲在直锥变截面杆中的传播特性 ,讨论了大小端杆径、过渡段长度以及锥角等对波传播的影响 ,为合理设计直锥变截面式SHPB装置提供了理论依据。     

气动载荷下防热材料剥离颗粒输运特性的直接数值模拟研究

高超声速飞行器防热材料在气动载荷下发生机械剥蚀,进而影响绕流流态、气动性能、热载荷等,相关颗粒剥离动力学是高超声速热防护系统设计及防热材料体系评价中的共性基础性科学问题.研究通过近壁流动量纲分析,将烧蚀颗粒剥离过程模化为单个圆球惯性烧蚀颗粒在Couette流动中的动力学问题,并采用颗粒解析的直接数值模拟方法开展数值研究,获得了烧蚀颗粒关键特征参量对颗粒输运动力学的影响规律.研究发现,随着颗粒/流体密度比ρr越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平和法向输运速度均减小;随着颗粒粒径d p越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平输运速度减小,但是,法向输运速度和位移均因大颗粒受到更大的Saffman升力而增大.此外,烧蚀颗粒法向位移远小于水平位移,颗粒以水平输运为主.本研究最终建立了颗粒启动速度归一化表达式,发现归一化颗粒启动速度是颗粒和流体惯性的函数,即颗粒水平输运速度等于流体微团或中性浮力颗粒的速度减去惯性修正项.研究结果为烧蚀颗粒调制边界层作用机理研究提供支撑.     

爆炸焊接驻点近区应变率分布规律计算

为了认识爆炸焊接驻点近区材料的力学和热学行为 ,分析波状界面和绝热剪切带生成 ,采用理想流体对称碰撞模型沿流线研究了驻点近区的应变率分布规律 ,并推导出了驻点应变率的理论计算公式。通过数值与理论计算对爆炸焊接碰撞角、界面距离等因素对应变率的影响进行了讨论。计算结果表明 ,爆炸焊接中强烈变形集中在驻点附近区域 ,其应变率高达 10 6～ 10 7s-1,拉压应变率的绝对值在驻点处达到最大 ;而剪应变在焊接界面上为零 ,其最大值出现在驻点的前方 ,为拉压应变率的约二倍。     

物理学家江仁寿在中国近代流体力学领域的贡献

物理学家江仁寿从19 世纪30 年代开始致力于液体黏滞性的研究。他通过对双线旋转球法进行改进,利用惯性棒双线悬挂球实验装置,测定了水、液态钠、钾及钠钾合金的黏度,分析了影响黏度测量准确性的因素,实验结果得到了当时国际物理学者的公认并长期沿用;他对金属液体在熔点时表面张力的测定结果,为半导体材料的兴起提供了理论基础,为中国近代流体力学发展做出了贡献。     

激光对涂层玻璃钢材料的烧蚀阈值实验研究

介绍了玻璃钢材料的特性。用连续ＹＡＧ激光辐照不同防火涂料层的玻璃钢材料,进行烧蚀阈值的实验研究。在实验中,用激光光斑仪确定激光辐照玻璃钢材料靶表面的光斑尺寸和光场分布。用红外热像仪测量了激光辐照玻璃钢材料生产的温度响应,并给出了损伤和起燃阈值。     

基于能量密度等效的超弹性压入模型与双压试验方法

针对超弹性材料压入问题,本文基于能量密度中值等效原理,提出了描述球、平面、锥3类压头独立压入下载荷、深度、压头几何尺寸和Mooney-Rivlin本构关系参数之间关系的半解析超弹性压入模型(semi-theoretical hyperelastic-material indentation model, SHIM),进而提出了球、平面、锥压入组合的双压试验方法 (indentation method due to dual indenters, IMDI).正向验证表明,基于系列超弹性材料的本构关系参数,由SHIM分别预测的球、平面、锥3类压入下的载荷-位移曲线与有限元分析(finite element analysis, FEA)结果之间密切吻合;反向验证表明,基于系列超弹性材料的FEA条件本构关系下3类压入的载荷-位移曲线,由双压试验方法预测的Mooney-Rivlin本构关系与FEA条件本构关系密切吻合.针对3种超弹性橡胶,完成了球、平面、锥压入试验,应用双压试验方法获得的3组Mooney-Rivlin本构关系均与单轴拉伸试验结果吻合良好.     

基于能量密度等效的超弹性压入模型与双压试验方法

针对超弹性材料压入问题, 本文基于能量密度中值等效原理, 提出了描述球、平面、锥3类压头独立压入下载荷、深度、压头几何尺寸和Mooney-Rivlin本构关系参数之间关系的半解析超弹性压入模型(semi-theoretical hyperelastic-material indentation model, SHIM), 进而提出了球、平面、锥压入组合的双压试验方法(indentation method due to dual indenters, IMDI). 正向验证表明, 基于系列超弹性材料的本构关系参数, 由SHIM分别预测的球、平面、锥3类压入下的载荷-位移曲线与有限元分析(finite element analysis, FEA)结果之间密切吻合; 反向验证表明, 基于系列超弹性材料的FEA条件本构关系下3类压入的载荷-位移曲线, 由双压试验方法预测的Mooney-Rivlin本构关系与FEA条件本构关系密切吻合. 针对3种超弹性橡胶, 完成了球、平面、锥压入试验, 应用双压试验方法获得的3组Mooney-Rivlin本构关系均与单轴拉伸试验结果吻合良好.      

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.