陶瓷水煤浆喷嘴的热冲击特性及有限元分析

采用热压烧结工艺制备出口无锥度(直口)和出口带锥度(锥口)2种Al2O3/TiC陶瓷水煤浆喷嘴,在工业锅炉上研究其热冲击行为,采用扫描电子显微镜分析喷嘴磨损表面形貌和微观组织结构,利用有限元法分析喷嘴的温度场和热应力.结果表明:陶瓷水煤浆喷嘴的出口结构对其热冲击行为影响很大,锥口喷嘴因所受热辐射面积小于直口喷嘴,内部的温度梯度和热应力较低,表现出较好的抗热冲击性能;Al2O3/TiC陶瓷喷嘴的温度梯度和热应力由入口到出口逐渐增大,出口部位的较高温度梯度和热应力是导致其磨损失效的主要原因;Al2O3/TiC陶瓷喷嘴的磨损形式表现为脆性断裂、研磨损伤、热裂纹和热崩等特征,其中热裂纹和热崩为主要磨损形式.     

SiC/(W,Ti)C梯度陶瓷喷嘴材料的制备及其冲蚀磨损机理研究

针对陶瓷喷嘴磨损特点,在喷嘴材料的设计和制造中提出运用梯度功能材料理论,通过控制陶瓷喷嘴材料的成分分布以实现其力学性能的合理梯度变化,将梯度陶瓷喷嘴材料制备过程中所产生的残余压应力引入喷嘴入口以提高喷嘴入口的力学性能,从而缓解喷嘴入口的高应力,提高其抗冲蚀磨损能力.采用热压烧结工艺制备SiC/(W,Ti)C梯度陶瓷喷嘴材料并分析其冲蚀磨损机理.结果表明,在相同冲蚀磨损条件下,梯度陶瓷喷嘴材料的抗冲蚀磨损性能较非梯度陶瓷喷嘴材料显著提高,这是由于梯度陶瓷喷嘴应力状态的改善及其力学性能提高的缘故.梯度陶瓷喷嘴材料的磨损机制为入口处呈现疲劳断裂、中间呈现微切削、出口处呈现疲劳断裂和脆性断裂特征.     

喷嘴结构对液氧煤油火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响

为了筛选高压补燃循环液氧煤油火箭发动机的喷嘴,在喷注单元低压高频燃烧不稳定性模拟实验系统上开展实验,研究了喷嘴结构对燃烧稳定性边界的影响。实验使用气态空气与氧气的混合物作为氧化剂,加热的煤油蒸汽作为燃料;喷嘴为全尺寸气液同轴直流离心式喷嘴,模拟燃烧室与真实燃烧室的固有声学频率相等。根据测量模拟燃烧室内的脉动压力区分大幅振荡、小幅振荡和稳定工作。研究结果表明,喷嘴长度、缩进室长度和入口节流嘴直径对高频燃烧不稳定性裕量有很大影响,并存在相对最佳值。     

自激振荡脉冲射流喷嘴装置系统频率特性理论研究

根据相似系统原理和流体网络理论建立了自激振荡脉冲射流喷嘴装置的等效网络模型,利用系统传递函数推导了系统频率特性方程并进行了数值计算。结果表明:喷嘴装置的固有频率主要由喷嘴形状、结构参数、入口流速、射流中压力扰动波波速决定;自激振荡腔腔径、自激振荡腔腔长、上喷嘴直径、下喷嘴直径都对系统频率特性影响很大。提出了相应的自激振荡脉冲射流喷嘴设计准则,即喷嘴装置在最佳阻尼比下产生谐波共振。     

静电雾化锥射流模式下液锥形态的研究

本文分析了静电雾化锥射流模式下液锥表面静电应力、表面张力应力分布特性,基于应力平衡建立了液锥力学模型,并对流量、荷电电压及针形喷嘴的内半径等参数对液锥结构形态的影响进行了预测。首先设计了针形喷嘴静电雾化实验装置,应用高速摄影技术观测了静电雾化的典型雾化模式和液锥形态演化特性。实验结果表明:锥射流雾化模式仅在一定的荷电电压范围内才会出现;针形喷嘴的流量增加,液锥锥角减小,液锥长度增长;随着荷电电压或针形喷嘴内半径的增加,液锥锥角增大,液锥长度缩短。实验结果与液锥力学模型的预测结果一致。     

气枪喷嘴高速射流的除水效率研究

为揭示喷嘴除水的机理并进而对气枪喷嘴进行改进和优化设计,本文提出了利用图像分析处理对小尺度气枪喷嘴高速冲击乘风破浪的除水效率的研究方法。该方法将有效除水面积作为衡量喷嘴除水效率的标准,从面实现了对喷嘴整体除水效率的定量测量,并利用该方法对影响气枪喷嘴除水效率的各种因素（一次侧压力,喷嘴到平板的距离和射流攻角）进行了研究,并将实验结果与用热线风速仪及总压探头测量的结果进行了比较,得到冲击射流在平板水平速度分量是蚊蝇 嘴除尘除水效率的决定性因素等结论。     

小口径轴对称收缩喷嘴射流冲击大平板噪声特性的实验研究

为研究小口径喷嘴冲击射流的噪声特性，测定了3mm口径的轴对称收缩喷嘴在各种压比情况下产生的亚音速和超音速射流冲击坚固大平板产生的噪声。发现噪声在空间呈近似四瓣分布，当喷嘴与平板距离减小时，噪声指向壁射流下游的瓣到增强，反之，噪声指向喷嘴上游的瓣得到增强。噪声随喷嘴距平板距离的增加呈增强的趋势，在距平板一定距离内有锯齿现象。噪声随喷嘴压比的增加而增强，相应于各种工况，存在一不同的压比值，此压比之前，噪声随压比的增大而迅速提高，但有起伏现象，在此压比之后，噪声平缓地随压比的增大而增强。     

阶梯型加速段对旋流喷嘴雾化特性的影响

旋流内芯是压力旋流式喷嘴最主要的旋流发生构件, 其几何特征直接影响压力旋流式喷嘴的喷雾特性.目前采用平滑型加速段的旋流内芯导流效率较低.为减小高流量条件下的能量损失, 使喷嘴旋流内芯加速段对喷雾介质产生预旋效应, 增强旋流强度, 本文设计喷嘴旋流内芯加速段为阶梯型, 其下段阶梯相对上段阶梯旋转15°, 旋向与喷嘴旋流槽方向相同.利用粒子动态分析仪(particle dynamics analysis system, PDA) 和高速摄影(charge coupled device, CCD)系统实验研究了加速段结构改进前后喷嘴的喷雾流量、雾场索特尔平均直径(Sauter mean diameter, SMD)、雾滴速度以及喷雾锥角, 并分析了SMD、 雾滴速度的轴向和径向分布特性. 结果表明, 背压差0.08\mathrm{~} 0.46 MPa 范围内, 阶梯型加速段对喷雾介质具有较好的预旋效果.喷嘴的流量提高了48.0% ~ 51.8%; 喷雾的轴向速度提升了31.4% ~ 32.8%, 径向速度提升了1.6% ~ 16.8%; 喷雾锥角减小了4.21°~6.57°; 较高背压差下喷雾下游的SMD减小了9.8%.与平滑型加速段相比, 阶梯型加速段的设计有效地提高了喷嘴的雾化质量.      

喷嘴内部流道型线对射流流场的影响

为研究喷嘴内部流道型线对射流流场的气体动特性参数的影响,根据可压缩流体轴对称N－S方程,利用RNGκ－ε湍流模式和有限体积法,并采用四边形非结构网格,对不同内部流道型线的喷嘴自由射流进行数值模拟。对于轴对称等直径圆管喷嘴,进口处的流道型线对射流流道参数的分布有较大的影响;轴对称收缩喷嘴的收缩角大小主要影响射流出口附近的流动,对流动具有不同的阻滞效果。计算结果与实验吻合较好,若要获得较佳的外部流场参数,优化喷嘴内部流道设计十分重要。     

含缺陷钢丝多道次拉拔模拟及工艺参数优化

利用有限元软件ABAQUS建立了含缺陷热轧盘条多道次拉拔的分析模型, 研究了道次压缩率、模具顶角和裂纹长度对拉丝安全性的影响,以减少断丝率为目标探讨 道次压缩率和模具顶角的最佳配合方式. 研究结果表明：模具顶角相同时,COD值和$J$积分 值均随着裂纹尺寸的增加而增大;裂纹长度一定时,最佳入线直径随着模具顶角的增加而增 大;最佳模具顶角应在4°- 8°之间. 利用有限元方法和断裂力学理论模拟含缺陷的热轧盘条经过多道次拉丝成型的过程,建立了钢丝经过多道次拉拔模具发生拉拔变形的分析模型,用模拟方法重点研究了道次压缩率、模具顶角以及裂纹长度对拉丝安全性的影响,以减少断丝率为目标探讨道次压缩率和模具顶角的最佳配合方式;研究结果表明：模具顶角相同时,随着裂纹尺寸的增加,J积分值随之增大;裂纹长度一定时,随着模具顶角的增加,入线直径的条件最佳值也在增大;最佳模具顶角的范围应在4°－8°之间。在拉拔前应对线材进行无损探伤从而控制裂纹长度,提高线材使用率和成品质量。研究结果对进一步优化拉丝工艺参数和改进成品PC钢绞线质量提供了有价值的理论指导。     

Stabilization of detonation combustion in a high-velocity flow of a hydrogen-oxygen mixture

The flow of a hydrogen-oxygen mixture diluted with argon in a supersonic axisymmetric nozzle consisting of an inlet cylinder, a convergent region, a cylindrical throat, and a divergent region is considered. The supersonic flow enters the channel along the axis of symmetry. The flow structure is calculated with allowance for hydrogen ignition. A possibility of stabilizing the combustion zone is studied and the forces acting on the nozzle from the flow are determined. The problem is solved in the two-dimensional approximation with account for detailed combustion kinetics.     

Subsonic and transonic flow field in two-dimensional de laval nozzles

This paper presents solutions of subsonic and transonic flow fields in two-dimensional De Laval nozzles with preassinged contraction ration ₁, expansion ration ₂, and throat wall radiusR _*. The effects of the contraction and the expansion angle on nozzle flow, the transformation of flow pattern of a De Laval nozzle in the throat region, and the conditions of occurrence and the governing parameters of the supersonic bubbles are discussed.     

爆轰驱动高焓激波膨胀管性能研究

介绍了中国科学院高温气体动力学实验室JF-16爆轰驱动高焓激波膨胀管的研制进展及其性能测试结果. 性能研究主要测量了入射激波速度和压力曲线. 根据入射激波速度,应用Mirels的黏性激波管理论计算了超高速试验气流的运动速度,然后应用Gaseq软件计算了试验气流的热力学参数. 研究结果表明:在16.35\,m长的JF-16激波膨胀管中获得了流速7\,000\,m/s以上的稳定试验气流,试验时间为50$\sim$100$\mu$s, 试验气流总焓30\,MJ/kg左右.      

正常及骨关节炎软骨细胞黏弹性研究

采用前交叉韧带切断术造骨关节炎(OA)动物模型，并采用微管吸吮技术和标准线性 黏弹性固体模型研究正常及OA软骨细胞的黏弹性特性. 实验研究表明：OA软骨明显退变， 大体评分及Mankin's评分均明显高于正常软骨. 正常软骨细胞直径与OA软骨细胞直径的差异无显 著意义，而正常软骨细胞与OA软骨细胞的黏弹性特性存在明显差异，正常软骨 细胞的平衡模量E , 瞬间模量E0及表观黏性 明显高于OA软骨细胞. 除正常软骨细胞平衡模量E 仅与细胞直径有微弱 相关性且具有统计学意义外，其余黏弹性参数均与细胞直径以及其 直径和微管直径比率无相关性.     

内埋武器高速风洞弹射投放模型试验关键技术研究

针对新一代战斗机超声速内埋武器弹射投放分离安全性问题,采用高速风洞投放实验技术研究内埋武器从开式武器舱弹射投放分离动态运动过程,风洞投放模型试验过程中采用除垂直加速度不足外,其余全部运动严格相似的轻模型相似设计方法,并针对轻模型法垂直加速度不足所导致的投放垂直位移偏离实物位移问题,采用一种简单易行的公式修正法进行补偿,试验给出了不同初始弹射投放分离条件下,内埋武器从载机投放分离后运动轨迹与姿态角随分离时间的变化规律,试验马赫数$Ma = 1.5$.研究结果表明:初始投放分离角速度对内埋武器投放分离后的运动轨迹及姿态角有较大的影响,当初始投放分离角速度$\omega _{z0}^s = 0^\circ/{\rm s}$时,内埋导弹出舱后先向下运动远离载机的流场干扰区,之后逐渐向载机方向抬升靠近并最终碰撞载机,高速风洞投放试验结果是不安全的,但经过公式修正后投放试验结果比较乐观,垂直方向运动仍然一直下降远离载机,这说明采用高速风洞投放试验得出的导弹不安全投放分离对真实载机来说不一定会出现,高速风洞投放试验结果比较保守. 当初始投放分离角速度$\omega _{z0}^s= 15^\circ/{\rm s}$和$\omega _{z0}^s = 30^\circ/{\rm s}$时,内埋导弹投放分离后运动趋势几乎一致, 均没出现向载机靠近的现象,内埋导弹具有一定的初始投放分离角速度有利于内埋武器的安全分离.      

Investigation of a Gas Flow with Solid Particles in a Supersonic Nozzle

A two-phase flow with high Reynolds numbers in the subsonic, transonic, and supersonic parts of the nozzle is considered within the framework of the Prandtl model, i.e., the flow is divided into an inviscid core and a thin boundary layer. Mutual influence of the gas and solid particles is taken into account. The Euler equations are solved for the gas in the flow core, and the boundary-layer equations are used in the near-wall region. The particle motion in the inviscid region is described by the Lagrangian approach, and trajectories and temperatures of particle packets are tracked. The behavior of particles in the boundary layer is described by the Euler equations for volume-averaged parameters of particles. The computed particle-velocity distributions are compared with experiments in a plane nozzle. It is noted that particles inserted in the subsonic part of the nozzle are focused at the nozzle centerline, which leads to substantial flow deceleration in the supersonic part of the nozzle. The effect of various boundary conditions for the flow of particles in the inviscid region is considered. For an axisymmetric nozzle, the influence of the contour of the subsonic part of the nozzle, the loading ratio, and the particle diameter on the particle-flow parameters in the inviscid region and in the boundary layer is studied. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 46, No. 6, pp. 65–77, November–December, 2005.     

Jet impingement onto a cylindrical cavity: consideration of annular nozzle cone angles,and cavity diameter

In the present study, gas jet emerging from an annular nozzle and impinging onto a cylindrical cavity is considered. The geometric configuration of the nozzle is varied in the simulations. Air is used as impinging gas while stainless steel is considered as workpiece material. Reynolds turbulence model is accommodated to account for the turbulence. A numerical scheme employing a control volume approach is used to simulate the flow field. Heat transfer characteristic and shear stress distribution around the cavity are computed. It is found that outer cone angle of the annular nozzle influences the heat transfer rates from the cavity wall. The flow structure around the cavity changes significantly with increasing cavity diameter. Moreover, increasing cavity depth results in stagnation zone moving into the cavity.     

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.      

双燃式超燃发动机冷态内流场的数值研究

研究了双燃式一体化通道(包含进气道、双燃式燃烧室和尾喷管)的冷态内流场特性.首次在激波风洞中对内流场进行纹影照相,用TVD格式求解三维全N-S方程对喷管和一体化通道进行分区数值模拟,并考察了几何参数对内流场的影响.结果表明对典型工况(h