气液两相流中气泡速度的电磁互相关测量

气液两相流作为一种工业领域中普遍存在的流态,在测量时需考虑气相和液相间的速度差。相较于流动规律平稳的气相而言,研究不稳定的气泡流动状态具有更高的技术难度。本文针对空气-水为工质的两相流中一项重要参数——气泡速度进行测量,引入基于互相关运算的电磁检测方法,通过提高系统激励频率得到较大的检测信号。实验设计了高频(1 MHz)电磁检测系统,选用垂直上升管道,并在管道的2个平行截面分别安装电磁传感器,每组传感器均包含一个激励线圈及一个接收线圈,对2组接收线圈上的相位信号进行互相关运算,从而求得气泡的速度。实验中,对3种不同速度气泡采集到的信号进行了对比分析,相对误差控制在10%以内,提供了一种完全非接触非侵入的测量气泡速度的方法。此方法可以进行后续补充完善,用于其他工业场合,如金属液中气泡参数的测量等。     

电离层多普勒接收机的设计与实验

利用软件无线电技术设计了一种电离层多普勒接收机. 该接收机采用DSP, FPGA等数字芯片与PXI总线进行架构, 使用GPS作为接收机的时间和频率同 步模块, 能够灵活设置系统参数. 实验接收来自中国蒲城陕西天文台的高 频时间信号, 实时获取由于电离层扰动所产生的多普勒频率偏移信息. 使用通过MATLAB语言实现的信号处理软件平台, 对接收到的高频信号进行处理. 观测结果表明, 接收机能够分析电离层回波信号的多普勒频移随时间的变化, 是获取不同空间尺度电离层扰动信息的一种有效手段.      

电离层中小尺度扰动的多频多普勒快速探测与分析

电离层反射回波的高频多普勒频移测量是研究电离层扰动的重要方法之一.利用基于单频信号相位变化率测量的实时探测方法,获取连续高精度多频多普勒频高图,以实现中小尺度电离层扰动的快速探测研究.该方法被应用于敏捷式高性能电离层无线电多频探测系统样机平台.经验证在该平台上获取的多普勒频移分辨率可达0.039Hz,频高图探测周期最短小于1min.基于这种快速探测方法和平台在武汉观测站进行了较长时间的观测和数据采集,获得高精度多普勒频移并反演出电子浓度等值面法向运动速度,得到电离层反射寻常波的多普勒频高图和垂直扰动速度等信息,进而推演出电离层扰动随时间和空间的实时变化特征.对这些时域信号进行频谱分析,初步结果显示这些扰动主要是由极区活动激发的中国中部地区冬季出现率较高的中尺度TID.此外,对三种常用的电离层扰动反演分析方法进行了对比研究,结果显示电离层扰动的变化趋势基本一致,说明观测数据和研究方法可靠稳定,为多频多点电离层扰动的传播特性观测研究提供了基础.      

两相流中的速度分离和相关法测量

本文讨论两相流流动中的速度分离和相关法在两相流测量中的应用。在密度差别较大时,存在着不同介质间的速度分离,给相关法测量带来困难。但相关法仍是一种较好的选择。文中列举了速度分离的两种典型形式,并给出了气液两相流管道中的试验结果。在垂直管道中,很容易避免偏正型流动,实现各向同性的介质分布和较均匀的速度分布,流速测量比在水平管道上容易。用相关法在垂直管道上进行的测最一般反映被载介质的运动。     

环月-地面激光通信链路运动特性分析与设计

为了实现中国环月飞行器与地面站之间的高速激光通信，建立了环月-地面激光通信链路运动特性模型并进行了仿真分析。结果表明：利用地面站与环月飞行终端分别构建月地直接信息传输链路和月地中继信息传输链路时，喀什站的两种链路总可见时间比阿根廷站分别增加了约4.5%和6.5%,因此选取喀什站更有利于月地激光通信链路的构建；对于环月终端，其转动机构方位角范围-180°～+180°,俯仰角范围-19°～+89.7°,其最大提前指向角达18.2μrad;该月地激光链路的SEP(sun-earth-probe)角和SPE(sun-probe-earth)角近似呈周期性变化，每隔约15天出现一次最小值，因此激光终端设计时须考虑抗日光干扰；对于1 550 nm激光载波的多普勒频移量为±1.28 GHz,多普勒频移变化率达1 MHz/s,因此激光通信体制的选择须考虑多普勒频移变化特性。根据链路仿真结果和功率预算给出了环月-地面激光通信链路的设计建议。研究结果可以为环月-地面激光通信链路的设计提供参考。     

俄月球-全球等探测任务中的无线电科学试验

俄罗斯航天局正在规划和推进新的月球探测计划,包括月球-资源和月球-全球探测任务,它们搭载了3个无线电科学载荷:2个无线电信标机分别安装在2个着陆器上,1个Ka波段接收机安装在月球-全球轨道器上。信标机发射频率为8.4GHz和32GHz。8.4GHz的微波信号将被发回地球,利用地面VLBI监测网对信号进行测量,其结果可用于精密的天体力学观测及导航,还能用于月球天平动研究;32GHz信号将用于定轨和月球重力场研究。Ka波段信号天线轴指向着陆区天顶方向,信号由轨道器接收。本文基于对Ka波段信号多普勒频移的精确测量,通过研究着陆区附近重力场的微小变化(约3~5mGal精度),探讨月球重力场的不均匀性,其测量数据的空间分辨率约为20km。     

微重力下两相控温型储液器内气液界面仿真分析

两相控温型储液器对机械泵驱动两相流体回路的稳定运行起到关键作用,而储液器内部气液分布状态是其控温性能的决定性因素之一。在轨微重力条件下,储液器内两相流动特性与地面状态差别巨大,这将给储液器的设计带来较大难度。针对两相控温型储液器在轨微重力下的两相工质分布特性,通过计算流体力学（CFD）方法对其内两相流动行为进行数值模拟。通过使用连续表面张力模型计算表面张力,使用多相流计算的流体体积分数方法对两相控温型储液器内气液界面形态的发展进行了追踪预测,并与理论解进行对比,结果吻合一致。通过对两相控温型储液器在不同Bond数、接触角、工质充灌量等参数下的仿真分析,得到了不同条件下储液器内气液运动及分布情况,结果表明:两相控温型储液器内气液界面状态与储液器尺寸、壁面浸润性、工质充灌量相关。研究结果可以为微重力下两相控温型储液器内气液界面的控制提供理论依据,并能指导储液器研制及在轨应用。      

基于新型C4D的小管道气液两相流流型辨识方法

基于径向结构的电容耦合式非接触电阻抗检测传感器,结合小波包分析技术和K-均值聚类算法,提出一种小管道气液两相流流型辨识方法。首先,利用径向结构的电容耦合式非接触电阻抗检测传感器,获取反映被测流体信息的电阻抗测量信号实部信息和虚部信息。然后,采用小波包分解的信号处理技术将实部信息和虚部信息分别分为4个频率段,提取不同频率范围的能量分布情况,并与各自的均值、方差构成特征向量。最后,利用K-均值聚类算法进行模式分类,建立流型辨识模型。在内径为3.5 mm和5.5 mm的玻璃管道内进行验证实验,实验结果表明,所获得的传感器测量信号能反映流体流动信息,提出的流型辨识技术路线是有效的,流型辨识精度可达88%以上。     

潜艇应急燃气吹除过程的数值仿真及实验验证

进行了潜艇应急燃气吹除系统的小比例模型原理实验,模拟了水下100 m深度时燃气吹除的排水性能与规律以及燃气吹除过程中的主要性能参数变化情况.建立了模拟小比例实验吹除过程的物理模型,应用结构化六面体网格对其两相流体流动区域进行了计算区域的离散化,并对100m海水深度下的燃气吹除过程进行了数值仿真计算,得到了对燃气泡成长规律的描述,深化了对排水过程机理的认识.仿真结果与实际情况的实验结果十分吻合,混合气体压力和排水总体积的相对误差均不超过5%,验证了数值仿真方法的可行性.     

全球海表流场多尺度结构观测卫星计划

全球海表流场多尺度结构观测卫星计划（Ocean Surface Current multiscale Observation Mission, OSCOM）首次提出海表流场、海面风场和海浪谱（简称 “流–风–浪”）一体化探测的多普勒散射计（Doppler Scatterometer, DOPS）测量原理和系统体制。OSCOM采用Ka-Ku双频多波束圆锥扫描体制的真实孔径雷达,将实现超过1000 km观测刈幅、公里级分辨率的“流–风–浪”一体化卫星直接观测。OSCOM将突破海洋亚中尺度非平衡态动力学、海洋多尺度相互作用、海气耦合的研究瓶颈,支撑实现海洋系统科学、气候变化等理论研究的重大突破。未来,应用OSCOM海表流速观测的模式改进,将奠定海洋非平衡态过程数值模拟、同化和预报的动力学基础,实现海洋和海气耦合模式的重大改进。通过与多源数据融合,OSCOM海流观测的应用将为海洋生物地球化学循环、碳收支研究和国家重大任务提供支撑。OSCOM科学卫星的实施对于我国地球系统科学和卫星对地观测重大应用的突破有至关重要的意义,有望带动我国应用卫星的发展从追赶、并行走向领跑。      

不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.      

搅拌流内大振幅界面波特性研究

针对竖直管内不同工况下气液两相搅拌流内的大振幅界面波特征参数(波形、波幅、波长和频率等)及运动特性进行了实验研究,系统分析了流动参数对大振幅界面波特征参数及运动特性的影响规律。结果表明:由于重力和气流剪切力在大振幅界面波不同运动阶段的影响程度不同,大振幅界面波在运动过程中存在与气流先逆向后同向的运动特点,证明了液泛现象普遍存在于搅拌流内,揭示了造成搅拌流液膜振荡剧烈的原因;搅拌流内,大振幅界面波波形符合正态分布函数特征,且波幅较环状流内扰动波波幅大,但是波幅和波长变化趋势与环状流内扰动波变化趋势相似,即波幅和波长随着气速的增大而减小,随液量的增大而增大,且当气速较小时,临界波幅随着液量的增加逐渐趋于定值;而大振幅界面波平均产生频率随气速和液速的增大而增大。     

电离层的运动与电波频率的变化

本文对从空间缓慢变化电离层反射的回波的多卜勒频移进行了讨论,认为反射面的运动和媒质的运动可以分开,等效镜反射面不一定在偏区.提出了利用寻常波和非寻常波多卜勒频移反演等值面运动速度剖面的方法.      

多路径效应对GPS多普勒测速的影响

针对全球定位系统（GPS）多普勒观测值在城市环境中受多路径效应影响,从而导致测速误差大的问题,从多普勒频移产生的原理入手,通过运动学理论分析,构建了接收机、反射点与卫星整体运动与多普勒频移误差关系模型。模型分析结果表明:多普勒频移误差与卫星观测向量、反射点切线法向量、接收机运动速度及反射点运动速度有关。最后通过5种不同场景的GPS数据验证了所提模型的正确性。在多路径情况下,当接收机或反射点运动时,可能会导致巨大的测速误差,使得结果不具备可靠性。      

An innovative navigation scheme of powered descent phase for Mars pinpoint landing

Pinpoint landing (within 100 m from the target) is essential for future Mars exploration missions. This paper deals with one aspect of the pinpoint landing architecture—the navigation performance improvement during the powered descent phase, and proposes an innovative navigation scheme to obtain the vehicle complete and accurate states. On the basis of dead reckoning relying on the Inertial Measurement Unit, measurements of the Integrated Doppler Radar are adopted to correct the vehicle velocity and altitude. Distance between the vehicle and one Mars Orbiter as well as their line-of-sight relative velocity is measured by a radio sensor, and integrated in the filter to correct the vehicle horizontal position. The innovative navigation system is based on an Extend Kalman Filter. Two observation schemes are developed. One considers measurements of the Integrated Doppler Radar and radio range measurement. Another further considers radio velocity measurement. The performance of the innovative navigation scheme is greatly influenced by the position of the Mars Orbiter with respect to the target. Stochastic analyses are performed to obtain optimal locations of Mars Orbiter. Finally, the innovative navigation scheme performances are assessed through stochastic simulations. Its performance improvements are demonstrated by comparison with the Integrated Doppler Radar only navigation scheme.     

深空测角测速组合导航系统时间配准方法研究

深空测角测速组合导航系统通过测角信息与测速信息融合,获取探测器位置、速度等参数,具有连续、自主、实时、高精度的优点。在深空测角测速组合导航系统多源信息融合过程中,要求各敏感器数据必须是统一时间基准。基于天文测角测速组合导航系统基本原理,阐述了在实际系统中,测角敏感器、测速敏感器由于时间基准误差、采样周期不一致、数据传输时延等都会造成时间不同步,而时间误差对位置和速度测量信息会带来很大的影响。本文分析时间误差在深空测角测速组合导航系统位置估计和速度估计中的作用机理,研究基于内插外推方法的时间配准方法,实现了测角敏感器与测速敏感器量测信息的同步。数学仿真结果表明,内插外推时间配准算法可有效抑制时间误差,提高深空测角测速组合导航系统导航精度。     

探空火箭定时定点入轨的一种制导控制规律

针对特定探测天体,给出了特殊用途的探空火箭与其实现空间交会的时刻与地点的计算方法.根据特定天体的运行轨道,发射前算出标称交会飞行轨道,装订在箭载计算机内.火箭发射后,利用箭载惯性导航系统确定自身当前的位置与速度,比对标称飞行轨道参数得出飞行偏差,通过控制火箭推力偏斜调整飞行轨道,使探空火箭在交会时刻到达交会点,并在交会时刻相对与惯性空间的速度为0.定义了研究所用的各种坐标系,建立了火箭飞行动力学方程.研究了标称飞行轨道最优交会点选取,交会时间与发射时间计算等问题.给出了发射后动力飞行段的制导控制规律,核心思想是将控制信号分解为时间控制、当地水平面上的海拔高度控制、南北控制与东西控制,通过设置偏置量减小关机后轨道摄动因素引起的漂移.利用计算机数值仿真验证了这种制导控制规律的可行性.     

静电传感器测量固体颗粒质量流量实验研究

航空发动机气路和排放尾气中固体颗粒物的监测有助于提高相关设备故障的识别和预警能力。采用3种不同形式的静电传感器测量方形管道中固体颗粒质量流量,并对其测量准确度进行了对比分析。3种静电传感器在4种输送气流速度和4种固体颗粒质量流量组合成的16种工况下测量了稀相固体颗粒的静电信号,并利用静电信号强度和固体颗粒速度进行了全工况固体颗粒质量流量标定。实验结果表明:方环形静电电极的平均测量偏差最大,侵入式条状静电电极阵列在质量流量较低时的测量偏差最小,非侵入式条状静电电极阵列在质量流量较高时的测量偏差最小。