风沙流中沙粒相浓度的高频测量

在大气边界层风洞内采用高速CMOS相机记录了定常来流条件下运动沙粒的图像。根据二进制图像标记像素的连通性,从数字图像中提取相机拍摄区域内沙粒的数量N,由此计算得到风沙流的瞬时含沙量q。获取图像的同时,使用恒温式热线风速仪MiniCTA配合55R49热膜探头测量观测域上方主流位置和跃移层顶部附近的风速变化。实验结果表明,即使在定常风速下,瞬时含沙量也是非稳定的,为了真实的记录瞬时含沙量的变化,测量频率至少需要在100Hz以上。定常风速下,高浓度风沙流含沙量的最大波动幅度可达到其时均值的50%以上;而当定常来流风速值在沙粒起动风速附近时,低浓度风沙流的含沙量具有明显的间歇性。     

来流条件对轴流喷水推进器性能的影响研究

高速舰船在实际航行过程中的来流条件十分复杂，为研究不同来流条件对喷水推进器性能的影响，以轴流式喷水推进器为研究对象，基于均相流模型、Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型，对不同来流速度和来流角度条件下的喷水推进器进行了数值模拟，通过网格不确定度分析、数值与试验结果对比及误差分析验证了数值计算方法的可靠性，最终获得了不同来流条件喷水推进器推进性能和内流特性的变化规律。结果表明：随着来流速度增大，装置流量不断增加，扬程、推力和效率先增大后减小，在来流速度为5.6m/s时性能最佳。转速为2450r/min时，叶轮空化程度较弱，当来流速度v≥8.4m/s时，流量显著增大，冲角减小，叶片工作面流动分离增强，压力面开始出现空泡。来流角度增大对低来流速度工况喷水推进器性能几乎无影响，高来流速度工况则表现出推力、扬程和效率的急剧下降，来流角度从3°增加至7°时，推力、扬程和效率降幅分别高达13.8%,13.9%与8.3%。来流角度增大，各过流部件速度不均匀性增大，叶轮和导叶区域湍流耗散增大，叶轮进口冲角减小，压力面流动分离增强，做功能力下降，推进装置性能急剧恶化。     

轴流风扇自噪声强度特性的数值研究

利用流场/声场混合模型计算分析轴流风扇自噪声的强度特性。使用大涡模拟(LES)数值计算方法获取湍流流场信息,以此为输入,使用声类比方法噪声预测模型获得了不同来流条件下的自噪声频谱。0°攻角条件下,叶片噪声源主要位于叶片尾缘区域,并且叶背上的噪声强度大于叶盆;攻角增大和速度增大都会引起叶片自噪声强度的增大;攻角增大引起的噪声增大主要集中在低频区域。     

致密多孔壁冷流入射角对冷却效果影响的数值研究

采用数值模拟方法研究了冷气流的入射角对致密多孔壁冷却效果的影响 ,通过 9个算例分析比较入射角为 3 0°,60°和 90°情况下的冷却效果 ,在每个入射下吹风比M分别取为 0 .5 0 ,1 .0和 2 .0。结果表明 :随入射角的增大 ,冷却效果是降低的。无论M为何值 ,入射角为 3 0°和 60°时 ,整个平壁上冷却效果的分布都很相似 ;而入射角为 90°时冷却效果的分布则不然 ,虽然与前者比较起来其冷却效果最差 ,但与常规气膜冷却相比 ,入射角为 90°时的冷却效果值仍然很高      

非定常风沙流中风速脉动对沙粒相瞬时浓度影响的实验研究

在大气边界层风洞内采用高速CMOS相机记录了时均风速线性上升的来流条件下运动沙粒的图像。根据二进制图像标记像素的连通性,从数字图像中提取相机拍摄区域内沙粒的数量N,由此计算得到风沙流的瞬时含沙量C。获取图像的同时,使用恒温式热线风速仪MiniCTA配合55R49热膜探头测量观测域上方主流位置和跃移层顶部附近的风速变化。实验结果表明,风沙流中的瞬时含沙量总是非稳定的,其变化频率至少在100Hz以上。风沙之间的相互作用存在一定的滞后效应,大气湍流脉动对含沙量的作用与沙粒粒径相关,粒径越小,风速脉动作用越大。当粒径≤160μm时,风速的微小变化即可引起含沙量的明显波动,二者高度相关。当粒径较大的时候,如300～500μm,只有较长时间较大幅度的风速脉动才能使含沙量有较大幅度的变化,研究时均风速变化对含沙量的影响更具有意义。     

风沙两相流数值模拟研究进展

大气表面层中的风沙运动是典型的高雷诺数湍流气固两相流动,同时具有可蚀地表上的冲击溅起过程、风-沙-电多场耦合、多尺度与跨尺度等复杂特性,使其定量预测极具挑战性。回顾了近30年风沙运动数值模拟的研究进展以及取得的成果,主要包括基于湍流雷诺平均Navier-Stokes （RANS）方法的风沙运动多场耦合模拟与风成地貌耦合尺度模型建立,基于湍流大涡模拟（LES）与高雷诺数湍流理论的风沙运动模拟方法。最后明确了风沙运动现有数值模拟方法的不足和值得进一步研究的方向。     

先进旋涡燃烧室速度场与温度场协同数值研究

为了探讨先进旋涡燃烧室流动传热特性,基于场协同原理,对不同来流速度、来流温度、壁面温度及燃气当量比下燃烧室的速度场、温度场及其场协同角分布进行了数值模拟。结果表明,协同角较小的区域主要分布在后钝体后侧、凹腔内部以及进气通道横向中心截面上。旋涡区可以强化换热。随着来流速度及来流温度的增大,场平均协同角呈递减趋势;随着壁温的提高,场平均协同角增大;当量比小于1.0时,场平均协同角随着当量比的增大而增大,而达到1.0之后变化不明显。对于速度场与温度场,燃烧室中心截面的场协同性能最好,且体平均协同角大于面平均协同角。     

金属粉末燃烧装置凝相产物反弹特性实验研究

为获得金属粉末燃烧装置燃烧产物的反弹特性，进而为金属凝相燃烧产物收集装置的设计提供指导，在收集并分析了铁粉燃烧产物特性的基础上，搭建了壁面碰撞反弹装置，开展了凝相燃烧产物与石墨板反弹特性实验研究，获得了铁粉燃烧产物与石墨板碰撞反弹后的法向反弹系数（en）与切向反弹系数（et）随粒子入射速度、入射角度的影响规律，并拟合了反弹系数多项式。结果表明：真实燃烧产物实验条件下，铁粉凝相燃烧产物的入射速度对en和et影响不显著，但入射角度对en和et的影响较大，表现为en随入射角度的增加而增大，et随入射角度的增加先减后增，但增幅较小，当入射角度大于58°时，et又出现减小的趋势。     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

地效翼船水橇的外形设计及水动力特性的数值模拟

地效翼船的发展过程中,必须解决一大技术性难题:起飞过程中升阻比较小,使得船身无法快速抬离水面。基于以上问题,根据船身理论、机翼设计理论和冯·卡门入水冲击理论等,设计一种应用于地效翼船的水橇,利用CATIA对水橇进行三维建模,并使用FLUENT软件对该水橇进行水动力特性的数值模拟。结果表明:水橇的升力系数和阻力系数随着攻角的增大而增大,其升阻比呈抛物线趋势,在攻角为5°左右到达最大值;相对其他来流速度,水橇在来流速度2m/s时的升力系数、阻力系数和升阻比更大。     

航空发动机进气及叶栅通道内砂粒动力学特性分析

为提高发动机的吞砂、防砂能力,需要了解砂粒在发动机中运动规律及对发动机性能的影响。采用欧拉-拉格朗日法对E3发动机整流罩、风扇和增压级进行了砂粒与气流的耦合作用分析计算,加入颗粒碰撞模型和侵蚀模型。仿真分析结果表明:砂粒运动轨迹和侵蚀区域符合发动机使用规律。砂粒进入发动机与风扇叶片压力面发生碰撞,砂粒发生碰撞后大部分进入了外涵流道。砂粒碰撞位置主要集中在风扇叶片压力面处,风扇对颗粒运动轨迹的影响最显著,碰撞后的颗粒有明显的径向运动趋势,叶顶区域的颗粒富集程度较高。整流罩、风扇叶片压力面及外机匣壁面都发生较为严重的砂粒侵蚀现象,而增压级叶片砂粒侵蚀现象不明显。      

航空发动机砂尘吸入物静电监测仿真实验

提出了航空发动机砂尘吸入物静电监测的仿真实验方法,实验以软件ANSYS电磁场分析模块建立有限元模型为基础,模拟不同粒径、荷质比、运动速度及质量浓度情况下砂尘吸入物的静电感应信号,并分别从时域与频域对感应电荷与电压信号进行分析,研究砂尘吸入物的粒径及其他宏观参数与静电监测信号之间的关系,建立用以表征砂尘颗粒粒径大小的特征指标。基于IDMS(进气监测系统)感应电压信号功率谱密度分布建立了特征向量,并以其曼哈顿距离与欧氏距离作为特征指标表征砂尘颗粒粒径大小。经仿真实验验证:特征指标与砂尘粒径呈正相关,且不受砂尘吸入物运动速度及荷质比变化的影响,但受砂尘吸入物质量浓度影响。进一步研究将利用质量浓度对特征指标进行修正,并开展验证实验。      

不同形状砂尘高速冲蚀TC4平板的数值仿真

含有砂尘的空气吸入发动机,会与压气机转子叶片以较高的相对速度发生碰撞,产生砂尘冲蚀现象,严重影响到飞行器飞行安全。通过采用能较好适应大变形的光滑粒子流体动力学(SPH)方法和有限元(FE)耦合的方法,建立不同形状砂尘冲蚀TC4平板模型,研究TC4平板表面受砂尘高速冲蚀的典型损伤形式及其规律。结果表明:砂尘尖角越小,冲击产生的弹坑越深,所造成的损伤也越大;随砂尘逐颗撞击平板,弹坑的深度变化越来越小,表现为平板表面的塑性硬化过程;在砂尘连续冲击下,受到冲击角的影响,损伤处的堆积物可能被砂尘冲脱平板,也可能被重新压回弹坑。      

风沙两相流动光学测量及图像处理技术研究进展

介绍了自风沙动力学诞生以来所使用的各类光学测量方法,阐述了各种方法的优缺点和适用范围,针对最新光学测量技术在近代风沙两相流研究中的重要作用,着重介绍了PIV、高速数字图像测量及其图像处理技术在风沙两相流中的应用,指出光学测量在时间和空间的解析能力上的持续增长将为沙粒微观力学解析和风沙流宏观统计规律获取提供充足的支持。     

复合材料砂蚀研究综述

介绍了冲蚀的基本概念、试验设备,综述了聚合物基复合材料砂蚀的研究概况和冲蚀机理,并讨论了各种冲蚀因素和抗冲蚀涂层对冲蚀性能的影响。     

Aeolian Processes and their Effects on Understanding the Chronology of Mars

Aeolian (wind) processes can transport particles over large distances on Mars, leading to the modification or removal of surface features, formation of new landforms, and mantling or burial of surfaces. Erosion of mantling deposits by wind deflation can exhume older surfaces. These processes and their effects on the surface must be taken into account in using impact crater statistics to derive chronologies on Mars. In addition, mapping the locations, relative ages, and orientations of aeolian features can provide insight into Martian weather, climate, and climate history.     

Energy Deposition in Planetary Atmospheres by Charged Particles and Solar Photons

We discuss here the energy deposition of solar FUV, EUV and X-ray photons, energetic auroral particles, and pickup ions. Photons and the photoelectrons that they produce may interact with thermospheric neutral species producing dissociation, ionization, excitation, and heating. The interaction of X-rays or keV electrons with atmospheric neutrals may produce core-ionized species, which may decay by the production of characteristic X-rays or Auger electrons. Energetic particles may precipitate into the atmosphere, and their collisions with atmospheric particles also produce ionization, excitation, and heating, and auroral emissions. Auroral energetic particles, like photoelectrons, interact with the atmospheric species through discrete collisions that produce ionization, excitation, and heating of the ambient electron population. Auroral particles are, however, not restricted to the sunlit regions. They originate outside the atmosphere and are more energetic than photoelectrons, especially at magnetized planets. The spectroscopic analysis of auroral emissions is discussed here, along with its relevance to precipitating particle diagnostics. Atmospheres can also be modified by the energy deposited by the incident pickup ions with energies of eV’s to MeV’s; these particles may be of solar wind origin, or from a magnetospheric plasma. When the modeling of the energy deposition of the plasma is calculated, the subsequent modeling of the atmospheric processes, such as chemistry, emission, and the fate of hot recoil particles produced is roughly independent of the exciting radiation. However, calculating the spatial distribution of the energy deposition versus depth into the atmosphere produced by an incident plasma is much more complex than is the calculation of the solar excitation profile. Here, the nature of the energy deposition processes by the incident plasma are described as is the fate of the hot recoil particles produced by exothermic chemistry and by knock-on collisions by the incident ions.     

Computer modeling of test particle acceleration at oblique shocks

We review the basic techniques and results of numerical codes used to model the acceleration of charged particles at oblique, fast-mode, collisionless shocks. The emphasis is upon models in which accelerated particles (ions) are treated as test particles, and particle dynamics is calculated by numerically integrating along exact phase-space orbits. We first review the case where ions are sufficiently energetic so that the shock can be approximated by a planar discontinuity, and where the electromagnetic fields on both sides of the shock are defined at the outset of each computer run. When the fields are uniform and static, particles are accelerated by the scatter-free drift acceleration process at a single shock encounter. We review the characteristics of scatter-free drift acceleration by considering how an incident particle distribution is modified by interacting with a shock. Next we discuss drift acceleration when magnetic fluctuations are introduced on both sides of the shock, and compare these results with those obtained under scatter-free conditions. We describe the modeling of multiple shock encounters, discuss specific applications, and compare the model predictions with theory. Finally, we review some recent numerical simulations that illustrate the importance of shock structure to both the ion injection process and to the acceleration of ions to high energies at quasi-perpendicular shocks.     

高速铁路挡风墙防风沙效果研究

正在建设的兰新第二双线是世界首条穿越大风区的高速铁路。线路穿越风区最大瞬时风速达64m/s,并伴随大量沙砾,严重威胁列车运行安全。如何在大风条件下防止列车倾覆、保护受电弓和接触网安全,避免沙砾侵道、击碎车窗玻璃成为兰新第二双线亟须解决的重要问题。本文通过数值计算、风洞试验和现场试验等方法,开展了挡风墙对列车的防风沙效果研究,研究结果表明：距轨面高2.5m以上的挡风墙对列车有较好的倾覆防护效果,防沙效果也较好,但对受电弓和接触网的接触安全防护效果较差,需要另外采取措施,确保受电弓和接触网的接触安全。