极端条件两相界面流与反应流机理、模型与算法研究进展

清华大学喷雾燃烧与推进实验室长期专注于极高速、强可压和高瞬变等极端条件下的两相流和反应流前沿科学问题,并致力于应用基础研究成果解决航空航天动力与推进系统的关键技术难题。综述了实验室近些年在极端条件下两相流动和含化学反应流动物理机理、数理模型与数值算法等方面的研究进展。首先,介绍了实验室发展的耦合高瞬变相变过程的强可压缩气液两相界面流的数理模型和高精度数值方法,以及针对激波受气液(曲)界面约束情况下,描述非定常激波透射/反射(如波角、波强等物理量关系)的激波动力学分析方法。其次,基于上述模型、算法与分析方法,实验室研究了激波液滴相互作用、高速液滴撞击壁面等一系列问题,解析了上述高瞬变过程中复杂波系与界面的时空演化过程。以被激波或壁面冲击的液滴内流体空化初生为例,揭示了曲界面汇聚膨胀波诱导流体空化的机理,推导了预测空化初生位置的理论公式。最后,介绍了面向发动机燃烧室内的强可压缩两相喷雾反应流动,实验室开发了基于Euler-Lagrange框架的高性能数值仿真软件TURFsim,并成功用于真实复杂几何结构的航空发动机燃烧室和超声速燃烧室的数值模拟。以典型的超声速混合层流动数值模拟为例,总结了...     

埋地热油管道正常运行的数值模拟研究

对高凝原油管道输送的水力热力问题进行分析研究,掌握管线运行规律,保证管线安全经济运行有着重要意义.本文建立了埋地热油管道正常运行的数学模型,采用非结构化网格和有限容积法对该问题进行了研究,计算结果与实验测量值吻合良好.     

在轨贮存技术地面原理试验系统研制及其热力排气系统工作能力测试

热力排气系统(TVS)可在微重力环境下实现低温贮箱压力的有效控制,在低温推进剂在轨贮存技术中具有应用前景。为了深入研究热力排气系统、被动绝热、蒸汽冷却屏等多项技术的耦合运行规律,设计并搭建了以液氮为模拟介质的在轨贮存技术地面多功能原理验证试验系统。本文将通过净蒸发量测试、消除热分层测试及控压实验测试来介绍该系统的热力排气功能的实现情况。分析低温贮箱的自增压过程特性,获得贮箱热分层规律;在单个热力排气控压周期内检验TVS消除热分层和消降压力的效果;对比分析基于压力反馈和基于压力+液体温度反馈这两种控制策略的控压特点,从介质损失率的角度评估两种控制策略的优劣。结果表明,贮箱热分层主要出现在气枕区的轴向上,形成于气枕的等容加热期,而热力排气系统能有效消除热分层并消降贮箱压力;压力反馈策略能够通过节流换热的方式减缓液体温度上升,但是贮存流体损失相对较多;而压力加温度反馈策略可实现短期贮存流体零损失。     

热力耦合作用下碳质千枚岩强度演化规律分析

温度场与应力场是影响碳质千枚岩地层引水隧洞围岩强度的重要因素。设定2因素4水平16组试验,依据单轴与三轴试验结果,探讨热力耦合作用下碳质千枚岩应力-应变曲线性态与破坏模式,得到了峰值强度变化规律;基于Mohr-Coulomb强度准则(M-C)与Heok-Brown强度准则(H-B),分别建立了热力耦合作用下Mohr-Coulomb-Thermal法(M-C-T)和Heok-Brown-Thermal法(H-B-T)两种破坏强度计算方法。试验结果与理论分析表明,随围压增大与温度升高,碳质千枚岩从脆性破坏逐渐转为延性破坏,黏聚力、单轴抗压强度和参数$n$随温度升高呈线性增大,内摩擦角受温度影响不显著。通过试验值与计算对比分析,M-C-T法和H-B-T法均能较好地量化热力耦合作用下碳质千枚岩强度演化规律;误差分析表明,前者计算误差为$-$28.5%~7.7%,后者为$-$8.9%~5.6%,H-B-T法计算结果离散程度较小,稳定性更高,且更偏向于安全。     

热力联合作用弹性薄圆板的弯曲与屈曲

导出了热力联合作用下弹性薄圆板的弯曲动力响应控制方程,讨论了其弯曲变形特点及影响失效的因素。分析表明在短时热能沉积作用下,热屈曲是弹性薄板失效的主要方式之一;反鼓包或反冲塞是热屈曲的后继行为;增加外载和热能沉积功率水平都将加速热屈曲的发生;材料的温度相关性与热能沉积的时空分布对薄板的力学行为都有重要影响,同为产生和影响热剪切失效(反冲塞)的重要因素。     

热力联合作用弹性薄圆板的弯曲与屈曲

 导出了热力联合作用下弹性薄圆板的弯曲动力响应控制方程,讨论了其弯曲变形特点及影响失效的因素。分析表明在短时热能沉积作用下,热屈曲是弹性薄板失效的主要方式之一;反鼓包或反冲塞是热屈曲的后继行为;增加外载和热能沉积功率水平都将加速热屈曲的发生;材料的温度相关性与热能沉积的时空分布对薄板的力学行为都有重要影响,同为产生和影响热剪切失效(反冲塞)的重要因素。     

核电站热力系统中加热器的优化设计及其对系统热效率的影响

加热器是核电站热力系统中的一个重要部件，它对提高系统热效率具有重要作用。本文建立了加热器的优化数学模型，求出其最优端差，分析了系统热效率与系统优化及端差优化的各种关系，并阐明了由于端差的优化使系统效率有明显的提高。     

策动力为瞬变力的受迫振动

本文用工程数学中复数积分的方法讨论非周期力的受迫振动。     

Tunnelling-Induced Transient Gain in an Asymmetric Double Quantum Well

We investigate the transient behaviour of a weak probe in asymmetric double quantum well structures, where two excited states are coupled by resonant tunnelling through a thin barrier in a three-level system of electronic subbands. There is no external coherent coupling field applied, and we find that probe gain can be achieved during the transient process, which is induced by the coherent coupling of the upper states via the resonant tunnelling. We show that the transient behaviour of the probe depends on the coupling strength and the dephasing rate and can be tuned by changing the width of the tunnelling barrier.     

两种不同并行敷设热力影响对比研究

油气管道敷设中存在两种并行敷设方式,输油管道并行敷设和油气管道并行敷设.受焦耳汤姆逊效应和管径差别等因素的影响,油气管道并行敷设与两条输油管道并行敷设热力影响情况有所不同.本文采用有限差分法和有限容积法相结合的数值计算方法研究了这两种不同并行敷设热力影响的区别.