超高频脉冲电弧焊接熔池金属流动行为

熔池金属流动一方面受电弧行为影响,另一方面与凝固组织形核、结晶过程联系紧密,是电弧焊接基础研究的关键,针对电弧力作用研究了超高频脉冲电弧焊接(UHFP-AW,Ultra High Frequency Pulsed Arc Welding)熔池金属流动特点,采用理论研究与试验分析相结合的方式对熔池流动方式、强度、温度分布等要素进行了分析,并完成了液态金属表面运动特征监测.结果表明,超高频脉冲电弧对熔池液态金属的热、力作用显著,表面流体流速大于30cm/s,UHFP-AW电弧力造成熔池表面沉降变形,引起双环流,熔池温度扩散范围相应减小,有效降低了电弧热量对母材金属的影响,尤其在钛合金焊接中对控制焊缝晶粒尺寸具有重要意义.      

Nb/α-Ti3Al体系的互扩散行为

采用反应扩散偶的方法,研究了Nb元素在α-Ti₃Al中的扩散行为.反应扩散偶经过120 h扩散退火,在高温(1 573 K)下生成了均匀的β-(Ti,Nb)扩散层;低温(1 273,1 423 K)下生成不均匀的扩散区,相组成为Ti₃Al(Nb),β-(Ti,Nb)及Nb₂Al.采用Dayananda方法计算了体系的扩散系数,即根据一个扩散偶的浓度分布曲线计算体系的扩散系数.采用平均扩散系数来表征体系的扩散系数,得出扩散模型和相关扩散机理.结果表明:Ti和Al的主扩散系数比Nb的主扩散系数大5个数量级;Ti的主扩散系数约是Al的2倍.Nb通过占据Ti的空位进行扩散,Nb的掺入阻碍了Ti元素扩散,从而提高了α-Ti₃Al体系的高温抗氧化性能.     

基于多光谱测温优化的材料光谱发射率测量

针对高温材料红外光谱发射率测量中样品表面温度难以准确测量的问题,提出了直接使用光谱仪测量得出样品表面的光谱辐射能量信息,选取其中合适的光谱波段利用多光谱测温方法得到样品表面温度,进而计算出材料的光谱发射率.分析了多光谱测温中发射率模型的阶次和测量波段选取对测温准确度的影响,给出了温度计算的稳健算法,并对其主要不确定度的来源进行了评定.在1 100 K左右温度下以不锈钢材料进行实验验证,得出温度引起的光谱发射率相对不确定度在2～20 μm范围内低于2%,满足红外隐身和辐射测温等领域的要求,适合于导热性能差的材料或涂层材料的高温光谱发射率测量.     

Nb／α-Ti Al体系的互扩散行为

采用反应扩散偶的方法,研究了Nb元素在a-Ti3 Al中的扩散行为.反应扩散偶经过120 h扩散退火,在高温（1 573 K）下生成了均匀的阶（ Ti , Nb）扩散层;低温（1273,1 423 K）下生成不均匀的扩散区,相组成为Ti3Al（ Nb） ,β-（Ti , Nb）及Nb2Al.采用Dayananda方法计算了体系的扩散系数,即根据一个扩散偶的浓度分布曲线计算体系的扩散系数.采用平均扩散系数来表征体系的扩散系数,得出扩散模型和相关扩散机理.结果表明：Ti和A1的主扩散系数比Nb的主扩散系数大5个数量级;Ti的主扩散系数是Al的2倍.Nb通过占据Ti的空位进行扩散,Nb的掺入阻碍了Ti元素扩散,从而提高了a-Tip A1体系的高温抗氧化性能     

小发动机燃气流火焰温度测量

小发动机是在高温条件(≈1800℃)下进行头部防热材料模拟试验的设备,是为解决导弹弹头再入大气层时的防热问题而研制的。本文叙述了用光学法测量小发动机燃气流火焰温度、燃气流中模型前端的激波温度及不同材料的模型表面温度。实验表明:不同材料的模型,其表面温度不同。文中对测温误差进行了初步分析。     

压力传感器膜片表面温度的测量和分析计算

用红外热成象技术测量应变式压力传感器工作时的膜片温度分布,以判断由于电阻应变片工作时温度变化对测量准确性的影响。测量中为获得应变片的真实温度,作了表面喷黑处理。对于实用的3MPa和0.6MPa的压力传感器,在不同工作介质(空气和变压器油)及工作电压条件下进行了测量,其结果表明:应变片表面温度随工作电压增高而加大,且不均匀。以空气为介质的温度高于以变压器油为介质的温度。据此可以确定对压力测量准确度的影响。还用有限差分方法对压力传感器膜片表面温度作了数值分析计算。     

热、力耦合作用下热障涂层的失效机制

针对热障涂层服役环境中热物理化学环境与机械载荷耦合作用的特点,采用交流阻抗谱法与声发射法对热障涂层在恒定外载荷(高温蠕变)以及交变载荷(高温低周疲劳)作用下的失效过程进行了考察分析,研究发现,交流阻抗谱中低频段阻抗值的变化可以有效地反映热障涂层热氧化层内横向裂纹的萌生及扩展;有无外机械载荷作用下热障涂层的热循环失效的模式截然不同,在高温蠕变条件下,热障涂层的裂纹并不产生在热氧化层内,而是产生在热氧化层与柱状晶之间的等轴晶区;而在高温低周疲劳条件下裂纹是在粘结层与高温合金基体的扩散层处.      

近地小行星2016HO3表面温度建模研究

2019年4月18日,中国国家航天局(CNSA)公布了小行星探测计划,将近地小行星2016HO3作为探测任务目标之一。主要梳理了2016HO3热环境分析的要素,通过调研国际上目前观测数据,得到2016HO3的初步环境参数,使用近地小行星热模型(NEATM)与小行星热物理模型(TPM)开展了小行星2016HO3表面温度场建模与分析,综合得出小行星温度上限为412 K;同时结合其可能的自转条件,仿真分析了不同位置的昼夜温差变化特性,发现2016HO3最大温差大约为30 K。由于两个模型均不能直接处理极夜情况,在TPM模型基础上采用对自转周期光照进行平均思路,给出了极夜条件下的温度分析方法,并获得小行星2016HO3的温度下限。     

溅射薄膜热电偶在非金属结构表面瞬态温度测量中的应用研究

介绍了利用薄膜成型技术,在非金属试验件表面用真空离子溅射技术制作薄膜热电偶,进行表面温度测量,并探讨薄膜热电偶在瞬态加热条件下与粘贴的常规热电偶在测温结果上的区别,为今后将薄膜制作技术应用于温度、热流密度及高温应变测量打下基础。     

不同稀释气体下等离子体辅助甲烷点火

等离子体由于可以同时在燃料反应中增加化学效应与热效应,有望成为辅助点火的有效技术途径。构建了基于激波管的等离子体辅助甲烷点火实验系统,测量了甲烷自点火、持续放电以及放电后断电条件下的点火延迟时间,分析了不同稀释气体下等离子体对甲烷点火延迟的缩短效果。构建了等离子体发射光谱测量系统,测量了放电单元中的发射光谱。在实验条件下,点火温度越高,持续放电下活性粒子的浓度越高。较小的放电功率(4 W)即可将甲烷的点火延迟时间缩短30%~95%。稀释气体为Ar时,等离子体在点火温度小于1 000 K或大于1 400 K时对甲烷点火延迟时间缩短作用更好。稀释气体为N2时,随着点火温度的升高,等离子体对甲烷点火延迟时间作用效果随之降低。     

空心阴极热特性优化研究

空心阴极常用于霍尔或离子电推进系统的电子源，其热特性对自身工作寿命和能效有重要影响。为考察工作过程中阴极的温度分布和热耗散特性，对空心阴极进行数值分析。采用等离子体流场计算数据与温度场计算数据互为输入条件，进行反复迭代的方式，计算稳态下阴极内部的温度场。为验证模型与计算代码的正确性，在真空舱内开展阴极的放电试验，利用热电偶与光学温度计对阴极5个测点进行测温，并将试验结果与计算结果进行比对。结果表明，计算的最大误差在5%以内。在此基础上，考察了不同结构、材料空心阴极内部的温度分布以及热耗散情况。当阴极整体长度由小变大时，阴极整体热耗散功率会先减小后增大，而采用发射率较高的外壳材料会提高阴极整体热耗散且降低整体温度。     

临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。      

极月轨道上太阳电池阵外热流规律分析

准确的月球表面温度分布模型对于开展月球探测具有重要意义. 目前有关月球表面温 度模型还缺乏对完整月球表面温度分布的计算方法研究. 本文建立了一套计算完整月球表面温度的方法, 其中月球阳面温度采用Racca模型直接计算得到; 对于月球阴面, 将其沿纬度方向划分为若干区域, 每个区域的地表土壤采用一维非稳态热传导模型, 根据嫦娥三号着陆器太阳电池阵在轨环月阶段的温度数据, 修正得到月球表面土壤导热系数、密度及比热容, 通过数值计算求解一维非稳态热传导方程, 得出任意时刻月球阴面表面温度随时间的变化. 嫦娥三号着陆器太阳电池阵环月阶段热分析结果与在轨温度符合较好, 初步说明本文建立的完整月球表面温度计算方法正确可行. 基于本文方法计算得到整个月球表面温度分布, 进一步研究了极月轨道太阳电池阵外热流变化规律.      

空间材料实验炉的模拟热分析与地面试验分析

空间材料实验炉的温度分布对空间材料制备至关重要.通过对用于天宫二号空间实验室材料实验炉的物理模型进行合理简化,建立了三维传热数值计算模型,测量了实验炉材料的热物性参数,并根据地面试验工况进行模拟热分析计算,其结果能够很好地与地面试验结果吻合.采用模拟计算的方法分析样品物性参数对炉膛和样品中温度分布的影响,对实验炉的隔热部件进行优化设计,进而对炉体外表面温度进行了预测.数值仿真计算弥补了实验中测温点不足的问题,有助于进一步了解样品的温度分布,同时为实验炉隔热优化设计和安全运行提供了依据.      

直升机旋翼防/除冰电加热控制律仿真

电热防除/冰系统的控制涉及到电加热与外流场的传热耦合,计算较为复杂,可利用的数据资料较为稀少。为探索电热防/除冰系统工作时与外流场的耦合传热规律,建立了二维电热除冰的数学模型,该模型在Messinger模型和改进的焓法模型基础上耦合了外表面与环境的复杂换热以及融冰和重新结冰过程的相变换热;采用控制容积法对控制微分方程进行离散后,使用TDMA（Tri-Diagonal Matrix Algorithm）和ADI（Alternating Direction Implicit）方法对离散得到的线性方程组进行求解,进而得到了除冰表面温度分布,同时揭示了电热防/除冰系统的耦合传热规律;分析了不同结冰条件下,加热时间控制律和加热热流密度对除冰表面温度的影响。计算发现合理设计加热热流密度大小及分布和加热时间控制律,可实现电热除冰系统能源的高效利用,进而确保飞行安全。     

两种层板性能对比

针对常规的141型层板,提出了一种增加50％数量扰流柱的设计,即161型层板.采用实验和数值模拟相结合的办法研究了两种类型层板在流阻和换热方面的差别.换热实验部分采用了辐射式加热设备,测量了层板上下表面平均壁温,以及冷气进、出口截面间的焓差,得到了相应进气雷诺数下的层板体积换热努塞尔数.发现161模型流阻降低20％,换热增强5％.对一些实验工况,采用三维计算流体力学程序进行了流-固耦合传热数值模拟,所得结果在趋势上与实验一致,在数值上,流阻和换热与实验结果分别相差5％和30％.利用数值模拟结果分析并比较了两种模型在流场和表面对流换热系数分布方面的细节差别.      

烧蚀模型表面温度分布测量

介绍了一维表面温度分布的非接触测量仪器——扫描光电高温计的基本原理、结构、性能以及实用情况。扫描光电高温计的研制成功,使烧蚀模型表面温度测量从点温度测量拓展到一维温度分布测量,解决了突缩管壁面热分布的研究问题,测量了各种材料烧蚀模型驻点区温度分布曲线和不同材料平板模型在烧蚀试验中沿射流流向和径向的温度分布,并利用弓型导管装置对不同开槽型的石墨平板模型和喷有氧化锆隔热涂层的平板试件进行了温度场的测量。同时,还介绍了偏转装置与扫描光电高温计配合使用,一次开车试验可以测量不同位置上一维温度分布。     

考虑制造约束的印刷电路板式换热器优化设计

针对印刷电路板式换热器(PCHE)的微流道结构参数设计制造一体化问题,开展了考虑制造约束条件的换热器性能优化的研究。通过流体仿真分析了流道宽度、深度和深宽比对温度分布、压力损失和换热系数的影响。使用多目标遗传算法(MOGA)建立了换热性能的多参数多目标性能优化仿真模型,根据性能优化获得的设计参数建立微流道结构辊压成形工艺仿真模型,得到制造约束条件,将制造约束反馈到性能优化仿真模型中,得到宽为0.29 mm、深为0.39 mm的矩形微流道优化设计参数,且通过辊对辊(R2R)的辊压工艺实验验证了该优化方法的可行性。考虑制造约束的换热器优化设计方法在性能优化设计阶段引入工艺限制条件,是实现换热器一体化设计制造的有效手段。      

Influence of lunar topography on simulated surface temperature

The surface temperature of the Moon is one of the essential parameters for the lunar exploration, especially to evaluate the Moon thermophysical features. The distribution of the temperature is heavily influenced by the Moon topography, which, however, is rarely studied in the state-of-art surface temperature models. Therefore, this paper takes the Moon topography into account to improve the surface temperature model, Racca model. The main parameters, such as slopes along the longitude and latitude directions, are estimated with the topography data from Chang’E-1 satellite and the Horn algorithm. Then the effective solar illumination model is then constructed with the slopes and the relative position to the subsolar point. Finally, the temperature distribution over the Moon surface is obtained with the effective illumination model and the improved Racca model. The results indicate that the distribution of the temperature is very sensitive to the fluctuation of the Moon surface. The change of the surface temperature is up to 150 K in some places compared to the result without considering the topography. In addition, the variation of the surface temperature increases with the distance from the subsolar point and the elevation, along both latitude and longitude directions. Furthermore, the simulated surface temperature coincides well with the brightness temperature in 37 GHz observed by the microwave sounder onboard Chang’E-2 satellite. The corresponded emissivity map not only eliminates the influence of the topography, but also hints the inherent properties of the lunar regolith just below the surface. Last but not the least, the distribution of the permanently shadowed regions (PSRs) in the lunar pole area is also evaluated with the simulated surface temperature result.