极高超声速稀薄气体原子辐射效应的p-DSMC方法

极高超声速流动激波层内的高温导致内能模态的激发并伴随热辐射发生, 过高的温度使得空气分子完全解离, 原子组分对辐射热的贡献将达到80%以上. 本文基于优化的原子辐射模型, 提出追踪光子?直接模拟蒙特卡罗(p-DSMC)方法, 研究了稀薄流区不同马赫数下的高超声速二维圆柱绕流的壁面辐射加热, 获得了有无激发辐射效应的壁面压力和热流以及沿驻点线变化的平动、振动和转动温度. 在不考虑激发辐射效应的情况下, 得到的壁面压力和热流与已有的模拟结果符合的非常好, 误差均在5%以内, 尤其是在驻点位置, 误差在1%以内; 获得的平动、振动以及转动温度均与文献结果符合的很好. 在相同的来流条件下, 考虑辐射效应后发现, 来流速度低于10 km/s时, 辐射加热不明显, 在驻点区域, 辐射加热占对流加热比重在7%左右; 来流速度大于10 km/s时, 在驻点区域, 辐射加热占对流加热比重将超过30%. 考虑辐射效应后, 对非平衡区的平动、转动和振动温度的最大值影响不大. 此外, 另一个重要结论是, 流场中原子的浓度是影响壁面辐射热流大小的一个重要因素.      

激光与材料相互作用研究中的气体物理学

强激光辐照材料时,烧蚀蒸气吸收部分或全部激光辐射,成为部分离化等离子体.它的传播称为激光支持的吸收波(LSAW).LSAW屏蔽入射激光,同时发射易被材料表面吸收的短波长辐射.研究这些过程,可用辐射流体力学描述蒸气的运动。为了求解辐射流体力学方程,必须利用气体物理力学方法,算出蒸气的状态方程和不透明度.本文对涉及的一些气体物理力学问题,进行了概略介绍.      

激光与材料相互作用研究中的气体物理学

强激光辐照材料时,烧蚀蒸气吸收部分或全部激光辐射,成为部分离化等离子体.它的传播称为激光支持的吸收波(LSAW).LSAW屏蔽入射激光,同时发射易被材料表面吸收的短波长辐射.研究这些过程,可用辐射流体力学描述蒸气的运动。为了求解辐射流体力学方程,必须利用气体物理力学方法,算出蒸气的状态方程和不透明度.本文对涉及的一些气体物理力学问题,进行了概略介绍.     

爆炸场瞬态高温测试的实验研究

针对爆炸场瞬态高温测量需求,从辐射测温原理出发,建立红外比色测温系统。通过黑体炉实验标定出Si/Ge双通道比色测温仪的波长、带宽、光电转换系数等工作参数和测温范围,并将比色测温仪高温测温量程扩展至3 500℃。利用大能量电火花放电产生的爆炸场标定了测温仪的响应时间,结果显示测温仪响应时间不超过10μs。确定了标准测温仪和超限测温仪的温度计算公式,并将比色测温仪应用于TNT柱状炸药和云爆剂（FAE）爆炸场温度测试,可以为爆炸反应过程诊断和爆炸温度毁伤效应评估提供依据。     

基于光学原理的二维/三维温度场测量技术

基于光学原理的二维/三维温度场测量是利用介质的折射率变化、辐射信息和光谱信息,通过分析物体的透射特性、热辐射或粒子特性来推断其温度。传统的接触式温度测量方法存在诸多限制,而光学测温技术通过非接触式测量提供了一种可行的解决方案。现有的研究表明,光学测温技术已经取得了显著的进展。干涉法测温、辐射测温和激光光谱诊断测温等方法被广泛应用于各个领域。这些方法在测温精度、测量范围、时间响应性、设备尺寸和便携性等方面不断改进。在三维温度场测量方面,研究者们通过改进和优化测量技术与设备,对实现复杂热传导、燃烧过程和材料性能等的全面了解和优化提供了重要的实验手段。同时,光学测温技术在工业生产、医疗诊断等领域得到了广泛应用,为实现更高效、准确、智能的温度测量和监测提供了新的发展机遇。     

爆炸与冲击中的实际物质状态方程

本文综述了爆炸力学计算中涉及的实际介质的状态方程,这些物质结构复杂,其描述方法与金属的状态方程有些不同.用物理力学观点及半经验、半理论方法进行描述.①用普遍的热力学方法导出介质的状态方程表达式,并用实测数据计算了有关的参量;②Grneisen系数值的计算以及它与体积和温度的关系;③多孔介质的优态方程;④从理论上系统地导出了波后卸载方程;⑤探讨了原予统计模型的边界势.      

新型碳酚醛材料状态方程研究

碳酚醛材料在航空航天领域有着广泛的应用,其高压力学性能的研究逐渐受到人们的关注。本文通过轻气炮实验,开展了新型碳酚醛材料冲击压缩力学性能研究。采用非对称碰撞直接测量法测量并计算了击波速度(D)与波后粒子速度(u),建立了D-u型的Hugoniot曲线,并由此推导了两种P-η型的状态方程。进一步,建立了该材料的Murnaghan状态方程,求得了相应的材料参数,并对Murnaghan状态方程和P-η型Hugoniot状态方程进行了比较和分析。     

二级氢气炮靶室内杂质辐射特性的研究

利用光纤传输光信号，对二级轻气炮发射后靶室内的杂质光谱进行了探测。这种杂质谱大致包含了高温废气的热辐射谱、一些杂质原子激发后产生的特征谱和分子振动带谱。杂质辐射持续的时间大约为９０ｍｓ。利用这种测试手段，还获得了塑料样品的冲击发射光谱。杂质辐射和弹丸碰靶后样品的冲击辐射在时间上是相互重叠的。由于材料在冲击作用下的不透明性，废气的热辐射基本上不会干扰对冲击材料发射光谱的探测。     

摩擦界面原子受迫振动温升模型及计算研究

通过对界面摩擦过程中原子在接触势能场作用下受迫振动微观机制的分析,基于受迫振动能量全部转化为系统热能的观点,针对独立振子模型建立了摩擦界面原子的温升模型.结果表明：当晶格常数及原子质量较小时,界面原子受迫振动后的温升随晶格常数及原子质量的增大而减小;当晶格常数及原子质量较大时,晶格常数及原子质量的变化对原子受迫振动温升影响不显著;当受迫振动频率低于原子固有频率时,原子受迫振动温升随相对滑动速度的增大而增加;当受迫振动频率接近原子固有频率时,温升加剧;当受迫振动频率高于原子固有频率时,原子受迫振动温升随相对滑动速度的增加而降低.     

高超声速非平衡流动-辐射特性数值模拟研究

飞行器高超声速飞行过程中所承受对流加热和辐射加热可能具有相当的量级,因此合理准确预测气动加热需要将二者进行综合考虑.文章发展了具有非玻尔兹曼电子能级分布和振动能级分布的高温空气碰撞辐射模型,并耦合一维激波后流动方程计算不同飞行条件下激波后的非平衡流动特性,采用逐线辐射输运模型计算获得激波后非平衡辐射特性、辐射强度和辐射输运通量,深入比较分析了不同飞行高度和马赫数对非平衡流动和辐射输运过程的影响.计算结果表明对于高空高马赫飞行条件,其波后流动存在显著的热力学非平衡、化学非平衡和能级非平衡特征,在近激波区域高振动能级和原子高束缚电子激发态明显低于玻尔兹曼分布.在高空高马赫条件下真空紫外辐射占据主导地位,主要是由高能原子束缚-束缚跃迁造成的.随着高度和马赫数的下降,激波层内气体解离和电离程度降低,原子辐射贡献下降,分子辐射贡献增加,导致红外、可见光和紫外波段的辐射输运增强,真空紫外辐射输运过程减弱.     

飞秒激光辐射纳米薄膜脱附的能量输运机理研究

从微观能量传输角度,对飞秒脉冲激光的辐射传热及其产生的金属薄膜吸附层分子脱附过程的能量输运机理进行了研究。以非平衡态传热和随机过程理论为基础,建立了描述吸附分子脱附过程的数学模型;并分别对单脉冲与双脉冲飞秒激光辐射下,金属Ru基体表面层的电子和声子的温度分布、吸附层分子CO的脱附概率分布进行了数值模拟。其结果与实验规律相符,为飞秒脉冲激光应用于微机电系统中杂质脱附提供了重要信息。     

能量释放率G的两种解法的统一

在线弹性断裂力学中,从能量的观点考察裂纹的扩展过程是研究破坏机理的一条有效途径.如果裂纹扩展过程中系统所释放出的能量,足以提供裂纹扩展所需要的能量,则裂纹便发生扩展.能量释放率G 就是描述裂纹扩展物体能量变化的一个参数,它是线弹性断裂力学中一个很重要的概念.在一些文献和断裂...     

均匀大气中的强爆炸一维辐射流体力学数值解

利用实际空气的状态方程和辐射平均自由程,对均匀大气中能量为8.36×1013焦耳（相当于二万吨TNT的爆炸能量）的强爆炸进行了一维辐射流体力学的数值计算。获得了冲击波参数、火球参数及等温球参数。其冲击波阵面参数与流体力学结果基本一致,波后参量比流体力学结果有明显改进,所得到的火球及等温球参数与实测结果基本符合。     

高温合金材料循环相关和时间相关热机械疲劳循环性能模拟

从平衡热力学不可逆系统出发，用非线性粘弹塑性运动强化莱模拟高温合金材料的应变控制热机械疲劳循环特性。讨论了温度变化和应变循环的相位关系，循环相关和时间相关热机械疲劳损伤机制，蠕变和疲劳间的相互作用。在建立本构关系和状态方程时，均考虑了温度变化所产生的影响。     

冲击载荷下HTPB推进剂的热耗散

为了研究HTPB推进剂在冲击载荷下的能量耗散规律,结合分离式霍普金森压杆(SHPB)搭建了红外测温系统。该系统响应速度快,可同步获取冲击实验中HTPB推进剂表面的温度变化。结果表明,HTPB推进剂受载后表现出黏-超弹特性,并且在高速变形中试件经历了温度的显著升高。在黏-超弹性本构模型的基础上引入温度项,考虑了热软化效应,更加准确地描述了HTPB推进剂在高应变率变形下的热力学响应,可对复合固体推进剂在冲击载荷下的热力耦合分析提供参考。     

双原子分子晶体振动弛豫过程的分子动力学研究

用分子动力学方法研究瞬时加热振动自由度后的能量弛豫过程.晶元包含128个双原子分子,采用周期性边界条件和体心立方结构,对于分子内和分子间原子相互作用采用双莫尔斯势.发现平衡时间的对数与因子,f_21之间存在线性关系,而f_21正比于分子内振动与格波振动的频率比.     

不同状态方程对固体介质中斜激波反射的影响

相比气体,固体介质在高压下的状态方程更为复杂,形式也多种多样.现有关于固体介质中激波反射的理论研究,一般直接采用某种状态方程,缺乏对采用不同状态方程得到的结果的对比.本项工作采用激波极曲线的理论分析方法,选择4种不同组合形式的状态方程(一次冲击激波采用线性的冲击波速度与粒子速度关系式,二次冲击激波采用Gr(u|¨)neisen状态方程;一次冲击和二次冲击激波均采用冲击波速度与粒子速度关系式:一次冲击激波采用线性冲击波速度与粒子速度关系式,二次冲击激波采用刚性气体状态方程;以及一次冲击激波和二次冲击激波均采用刚性气体状态方程),研究固体介质中的斜激波反射,比较了采用不同组合形式的状态方程对反射激波波后压力的影响.利用量纲分析方法讨论了简化状态方程达到较高精度的条件.此外,用ANSYS/LS-DYNA软件,对激波极曲线理论给出的结果进行了验证.本项工作可为固体介质中激波反射问题状态方程的选取提供一定的指导.     

高速平面飞片诱导的甲烷热分解过程模拟

为了研究高速颊飞片诱导下甲烷气体的化学反应和热力学非平衡过程，首先利用冲击波间断关系和理想气体状态方程计算甲烷的冻结冲击波参数，然后以波后的压力和温度作为初始条件，作定压反应计算，由此给出波后非平衡区的温度化学成分随时间变化的模拟结果。计算表明，当飞片速度v≤3km/s时，受冲击加热的甲烷分解比例较小；当飞片速度壮大时，甲烷热分解的比例迅速增大，C2H2，C2H4等产物显著增多。这一结果与用40反应模型给出的一维无粘反应动力学的数值结果基本一致，而且能更好地描述甲烷冲击波后的非平衡过程。     

磁控直流等离子体炬的磁流体动力学模型与仿真

以沉积金刚石膜的磁控直流等离子体炬为研究对象,在经典N-S流动方程和能量方程中引入多项源项(包括因外磁场和内部自感应磁场引起的洛伦兹力、辐射冷却、焦耳生热等),并结合组分质量守恒、广义欧姆定律及麦克斯韦方程组,建立了炬内等离子体的磁流体动力学(MHD)模型。利用二次开发后的FLUENT软件对所建MHD模型进行了仿真,得出了在有外磁场与无外磁场两种情形下,炬内及炬出口的温度和速度分布曲线。仿真结果证实,施加外磁场后,温度和速度的均匀性都得到了改善,有利于金刚石膜的沉积。     

激波管中强激波的前驱真空紫外辐射

在Φ800毫米的低密度激波管的中轴上用钼靶探测入射强激波前发射的真空紫外光子,研究了以下三个问题。(1)研究了真空紫外光子的通量密度随波前距离的关系,建立了一个考虑到有限的激波发射层尺度和波前气体吸收的模型,得到了与实测前驱辐射一致的结果。(2)研究了氩气中强激波真空紫外辐射的激发机制,指出它属于非平衡共振激发辐射,其激发截面系数S~*=1.2×10~(-17)厘米~2·电子伏~(-1),激活能为11.4电子伏。(3)研究了空气中氮分子b′~1∑→X~(1∑)辐射的激发机制,指出只是在激波面很薄的一层中能够激发这一辐射,辐射是非平衡的,其激发截面Q~*=2×10~(16)厘米~2,其激活能为12.1电子伏。