“微藻-小白鼠”二元生态系统气体交换规律研究

为探讨“微藻-小白鼠”二元生态系统中氧气和二氧化碳交换规律,进一步评价空间微藻光生物反应器地面试验样机生产螺旋藻的能力,开展了螺旋藻和小白鼠的整合试验研究。将微藻光生物反应器和动物活动室组成气路闭环系统,试验期间连续监测系统中氧气和二氧化碳含量、小白鼠的活动状况、藻液pH变化以及藻体浓度含量等指标。试验结果表明,螺旋藻生长良好,系统闭环后促进了藻体的生长;从小白鼠的体征来看,小白鼠生活正常,但对小白鼠的生理影响还需深入研究。螺旋藻和小白鼠间能实现氧气和二氧化碳的完全交换,螺旋藻具有较强的吸收二氧化碳和放氧能力,可作为未来受控生态生保系统中的重要生物部件。     

Sabatier反应器的小型化研究

针对中长期载人航天CO2处理与O2循环再生问题,在Sabatier反应热力学分析的基础上,通过优化反应器高低温区的反应温度及进出口温度并预测冷却气体的最佳流量及出口温度,提出了适于载人航天的Sabatier反应流程及基于微化工技术的微反应器设计方案,制造出一套地面Sabatier反应试验样机。在H2/CO2摩尔比为3.5、原料气流量为4.3 L/min、高温反应器温度为260~268℃、低温反应器温度为210~235℃的条件下,实现了4500小时稳定运行、H2转化率大于98%、系统压力降小于4 k Pa的结果,为未来实用微反应器的设计奠定了技术基础。     

气相硼燃烧的化学动力学分析

为研究温度和H2,CO,F等组分影响气相硼燃烧的化学反应动力学机制,利用基于CHEMKIN建立的B/C/H/O/N/F体系的反应动力学机理,模拟了温度和各自由基摩尔分数随时间的变化,并通过敏感性分析和化学反应速率分析研究了不同条件下影响气相硼燃烧的主要基元反应。结果表明,影响气相硼燃烧的主要反应式是R31 BO+O+M=BO2+M,BO的氧化速率决定了气相硼燃烧的快慢;提高初始温度,BO的氧化途径仍为R31;添加0.5%CO可以增加O自由基浓度,加快R31的反应速率;添加0.5%F后BO的氧化途径增加了反应式R183 BO+F+M=OBF+M,加快BO的氧化速率;添加0.5%H2后BO的氧化途径转变为R36 BO+H+M=HBO+M,R35 BO+OH+M=HBO2+M和R58 BO2+H+M=HBO2+M,加快BO的氧化速率从而缩短延迟时间;在含有H2的初始组分中,气相硼燃烧的主导反应过程:B2O2/HBO→BO→BO2→HBO2。     

原位生成Si2N2O与β-Si3N4晶种协同增韧Si3N4复相陶瓷研究

采用原位生成Si2N2O与添加β-Si3N4晶种的方法协同增韧,利用凝胶注模成型、无压烧结制备了Si3N4复相陶瓷材料,研究了协同增韧对材料力学性能和显微结构的影响.结果表明:通过添加5%(质量分数)的SiO2原位生成Si2N2O使材料的弯曲强度和断裂韧度有明显提高,分别达到359.8 MPa和4.67 MPa·m1/2,通过添加5%质量分数的β-Si3N4晶种,得到的Si3N4复相陶瓷材料中柱状β-Si3N4相生长完好、均匀分布,与板状Si2N2O结合良好.综合以上两种增韧机制使材料的力学性能进一步提高,弯曲强度为486.7 MPa,断裂韧度达到6.38 MPa·m1/2.     

合成气组分及雷诺数对火焰结构影响的实验研究

利用非接触的激光PLIF技术测量了在湍流贫燃预混燃烧中的OH自由基分布。以典型煤制合成气真实组分为基础进行工况设计,分为H2含量变化、CO/（CO＋CH4）相对比例变化、雷诺数变化和中低热值对比4部分进行实验。通过OH-PLIF信号分析,探讨了H2含量、CO/（CO＋CH4）相对比例和雷诺数对燃烧的影响。实验结果表明,雷诺数、H2含量和CO/（CO＋CH4）相对比例的变化对合成气燃烧过程都有显著的影响。其中雷诺数的增大和H2含量的增加都加强了OH-PLIF信号强度,即有利于火焰中OH自由基的生成。而CO/（CO＋CH4）相对比例的上升,因同时减少了CH4含量,导致OH自由基浓度下降。H2含量的升高和CO/（CO＋CH4）相对比例的上升（转折点前）对于火焰行程都有缩短的作用,强化了燃烧。转折点之后CO/（CO＋CH4）相对比例的继续上升不利于燃烧。后文对裂解气火焰瞬时图像和火焰面密度的分析印证了上述规律。     

电子束区熔定向凝固Nb基高温合金的组织和性能

研究了Nb-Si-Ti-Hf-Cr-Al-B-Y合金在电子束区熔炉上的定向凝固组织、室温断裂韧性和高温瞬时拉伸性能.合金的组织主要由Nb基固溶体(Nbss)、α-(Nb)5Si3和(Nb)3Si相组成.定向凝固后,初生Nbss枝晶以及Nbss α-(Nb)5Si3/(Nb)3Si层片状或棒状共晶团均沿着试棒轴线定向排列.当电子枪移动速率R=2.4 mm/min时,定向效果最好.定向凝固使合金在1250℃的拉伸强度及室温断裂韧性均显著提高.R=2.4 mm/min试棒的抗拉强度最高,达85.0 MPa,同时其室温断裂韧性也达到19.4 MPa·m1/2.     

氧掺杂对NiCrAlYN纳米金属陶瓷涂层抗氧化性能的影响

研究了不同O含量掺杂对Ni Cr Al YN纳米金属陶瓷涂层在1100℃下抗氧化性能的影响。采用多弧离子镀设备,分别在0、10 sccm、20 sccm O₂流量下制备得到3种不同O含量的涂层。经1100℃、300 h的高温测试后,3组样品表面均生成了α–Al₂O₃和Ni Al₂O₄,氧化膜厚度分别为8.78μm、7.9μm和5.7μm。O₂流量为0和10 sccm涂层的氧化膜产生明显分层,其中上层为Ni Al₂O₄,下层为α–Al₂O₃;而流量为20 sccm涂层的氧化膜并没有发生明显分层。O掺杂量的增加能够抑制氧化膜中大颗粒状Y–Al氧化物夹杂的形成,降低氧化膜的生长速率。此外,氧化后未掺杂氧的涂层较含氧涂层退化严重,主要归因于氧掺杂涂层中弥散分布的氧化物颗粒抑制了涂层的退化。     

低温等离子处理对PTFE表面性能的影响

采用He,O2为处理介质,对PTFE(聚四氟乙烯)薄膜进行了低温等离子体表面改性.分析了表面元素,测试了接触角和表面能,用原子力显微镜观察了PTFE表面形貌.研究表明:经等离子体表面处理后,PTFE接触角降低,表面能提高;经He处理后,水接触角由108°最低下降至82.4°,表面能由24.0mJ/m2到34.4mJ/m2;经O2处理,水接触角由108°下降到了80.6°,表面能为35.8mJ·m2.形貌观察表明,处理后的PTFE表面粗糙度明显增加,引入了含氧官能团.另外,得到较佳的处理参数:O2为处理介质、功率300 W.     

等离子喷涂Cr_3C_2-NiCr涂层的气孔率统计分析

研究了等离子喷涂Cr3C2 NiCr涂层的气孔率服从正态分布、对数正态分布和韦伯分布的拟合优度。在统计分析的基础上 ,考察了喷枪移动速率和涂层厚度对涂层气孔率的影响。结果表明 ,在不同喷枪移动速率下喷涂不同厚度涂层 ,其气孔率均同时显著地服从正态分布、对数正态分布和韦伯分布 ,它们的变异系数在 0 .17～ 0 . 4 8,韦伯模数在 2 .0～ 6 . 2 ;根据不同分布估计出的平均值的置信区间基本相同。在相同的喷涂工艺参数条件下 ,厚度小于10 0 μm的涂层的气孔率较高 ;当涂层的厚度较厚时 ,涂层的气孔率为一常数。在 50 ,75和10 0m/min三种喷枪移动速率中 ,以 75m/min喷枪移动速率喷涂涂层的气孔率最低。     

Hf和Zr在高温材料中作用机理研究

在高温合金中,元素Hf和Zr可以促进γ γ′共晶、MC(2)碳化物、M2SC碳硫化物和Ni5M相的形成,改变草书状MC和M3B2成为块状并且通过净化晶界或枝晶间自由态的S来提高这些薄弱部位的结合强度,从而延迟裂纹的形成和扩展.Hf和Zr可提高铸造高温合金室温拉伸和中温持久的强度和塑性.Hf,Zr抑制次生碳化物M23C6和M6C的生成,从而提高了合金在高温长时热暴露时的显微组织稳定性.Hf,Zr降低合金的初熔温度,Ni5Hf和Ni5Zr相的初熔被认为是Hf,Zr影响初熔的主要原因.通过1150℃/8h的预处理,Ni5Hf以Ni5Hf γ(C)→MC(2) γ反应或者固溶两种方式被消除.元素Hf可以缩小枝晶间失去毛细管补缩能力和固相线之间的温度范围,还能降低枝晶间液池沟通所需的液体量.在凝固后期枝晶间的富Hf熔体具有很好的流动性、浸润性和趋肤效应,这些都是降低合金热裂倾向、提高合金可铸性和焊接性能的有利因素.具有高的化学活性的富Hf液膜容易在铸件表面形成Hf2O薄层.Hf和Zr是钎焊用中间层合金的降熔点元素.根据凝固过程中富Hf,Zr熔体的成分最终发展出Ni-18.6Co-4.5Cr-4.7W-25.6Hf和Ni-10Co-8Cr-4W-13Zr两种中间层合金,使单晶高温合金的无Si、B连接成为现实.还发展出了定向凝固片状Ni3Al/Ni7Hf2共晶合金,成分为Ni-5.8Al-32Hf和Ni-4Al-26Hf-8Cr-4W.Ni-5.8Al-32Hf合金的最佳凝固条件为温度梯度G=250℃·cm-1和凝固生长速率R=5μm·s-1;Ni-4Al-26Hf-8Cr-4W,凝固条件为G=350℃·cm-1和R=1μm·s-1.     

层间叉排微针肋液体冷却3D-IC流动及换热特性

用数值模拟的方法,研究了散热面积为1cm2带有层间微散热结构双面均热发热3D-IC内部流体层流流动与换热,对体积流量在36~290mL/min范围内,通道高度为200μm,通道间距为200μm的带有矩形微通道和叉排微针肋液体冷却3D-IC(three-dimensional integration circuit)的流动与换热进行了分析.结果表明:带有层间叉排微针肋液体冷却3D-IC具有良好的换热效果,在热流密度为1.25MW/m2,体积流量为290mL/min时,其发热面平均温度、最大温度只有318.31,323.16K,分别最大减小了12.31,20.14K,此时的功率为250W、体积热源为8.3kW/cm3.      

高氯酸铵粒度对AP-CMDB推进剂热分解特性的影响

利用热分析—质谱和红外联用法、高压差示扫描量热法研究了高氯酸铵(AP)粒度对AP-CMDB推进剂在0.1 MPa(常压)和1.0MPa压强下的热分解过程。结果表明,含不同粒度AP的AP-CMDB推进剂的热分解过程存在明显的差异,含大粒度AP(d50=96.8μm)的推进剂在常压和1.0 MPa下的热分解过程均出现了AP单体的高温分解阶段,含小粒度AP(d50=12.4,8.5和1.0μm)的推进剂在高压下均仅表现出一个快速分解阶段;AP-CMDB推进剂分解过程中的气体产物主要包括NO2,NO,N2O,CO2,CO,O2,N2,H2O,HCHO和HCl。     

Y-La-Si3N4陶瓷的显微结构分析

通过采用溶液法引入烧结助剂Y2O3、La2O3的工艺，研究了热压自韧Si3N4陶瓷的显微结构特征，着重分析了烧结助剂合量及配比对材料显微结构的影响以及材料的显微组织和力学性能的关系。结果发现，自韧Si3N4陶瓷中β-Si3N4柱状晶的双峰分布特征以及显微组织的均匀性对材料的力学性能起着决定性作用。     

组分变化对甲烷氧化特性影响

在射流搅拌反应器实验平台上针对温度范围850~1 300 K、常压条件下的甲烷氧化反应过程进行了实验研究,采用气相色谱仪测量了变组分条件下(当量比范围02~2、氧气体积分数2%~8%、二氧化碳体积分数0~20%、水蒸气体积分数0~20%)主要反应物(CH4、O2)、主要中间组分(C2H6、C2H4、C2H2、H2)和主要污染物(CO、CO2)的摩尔分数,并分析了主要反应物、中间组分以及污染物生成的影响因素和影响规律。研究表明,随着当量比和含氧量的增加,主要中间组分的摩尔分数升高;二氧化碳体积分数的增加对中间产物的生成有微弱的抑制作用,却使得污染物浓度大大增加;水蒸气体积分数的增加导致氢气生成量显著增加,同时促进一氧化碳的生成,而对二氧化碳的生成影响很小。      

氧化剂对水冲压镁基富燃料推进剂燃烧特性影响

理论近似计算了镁基富燃料推进剂中镁粉与不同氧化剂反应时的爆热、燃烧产物的温度等;测试了不同推进剂体系的燃烧速度;对含四种不同氧化剂的镁基富燃料推进剂的燃烧产物的反应活性进行了研究。研究结果表明:高氯酸铵体系的一次燃烧温度最高,一次燃烧剩余镁粉含量最少;氧化剂为硝酸钾的体系的燃烧温度最低;硝酸钠作为氧化剂的体系的燃速最高,含有高氯酸铵体系的燃速最低;高氯酸钾体系的燃烧产物与水反应的产气总量最多,高氯酸铵体系的燃烧产物与海水反应启动速度最快。     

存在烧蚀的高超声速压缩拐角流动数值研究

耦合求解热化学非平衡流控制方程和烧蚀壁面边界条件,进行存在石墨烧蚀的压缩拐角流场数值模拟。流场化学反应采用16组元(N2,O 2,NO,N,O,NO +,N+2,O +,N+,CO,CO 2,C,C2,C3,CN,e-)29个反应的非平衡模型,热力非平衡的双温度模型下,不同反应采用不同控制温度。石墨材料表面反应包括碳的氧化反应、碳催化的O 原子复合反应和碳的升华反应。对15°、18°、24°压缩拐角模型,在自由流 Ma =10~30,总焓值6~55 MJ/kg 范围,分别进行无烧蚀的壁面催化与非催化条件和石墨烧蚀条件下的流场计算,分析各类条件下的流场结构、流动分离特性以及流场热化学参数分布特点,研究壁面条件对流动特性的影响。结果表明：流动分离可能性和分离区范围随着压缩拐角斜面倾角增大而增大,随来流马赫数增大而减小;相对于低壁温条件,无烧蚀的辐射平衡壁温和壁面烧蚀条件下流动分离区增大,斜面上压力、摩阻和热流峰值点也有所后移。     

污染对氢-空气燃烧影响的化学动力学分析

本文作了H_2O、O、H、OH和NO对氢-空气燃烧影响的化学动力学计算.计算范围是:压力0.02～0.2MPa,初始温度:910～2000K,当量油气比为1.0.有限速率化学反应模型包括38个反应式和13种组分的H_2-O_2-N_2系统,模型反应了氢-空气化学反应的当前最新研究成果.计算结果表明,在某些温度范围内,H_2O、O、H、OH和NO对着火时间有很大影响.反应时间并不受初始成份中自由原子和基的影响,但是初始成份中含有H_2O,将缩短反应时间.本研究关系到污染对燃烧的影响以及对于超音速燃烧冲压发动机地面试验的影响.燃烧化学动力学显然是污染影响中的一个重要因素.     

Formation and Composition of Planetesimals

The composition of planetesimals depends upon the epoch and the location of their formation in the solar nebula. Meteorites produced in the hot inner nebula contain refractory compounds. Volatiles were present in icy planetesimals and cometesimals produced in the cold outer nebula. However, the mechanism responsible for their trapping is still controversial. We argue for a general scenario valid in all regions of the turbulent nebula where water condensed as a crystalline ice (Hersant et al., 2004). Volatiles were trapped in the form of clathrate hydrates in the continuously cooling nebula. The epoch of clathration of a given species depends upon the temperature and the pressure required for the stability of the clathrate hydrate. The efficiency of the mechanism depends upon the local amount of ice available. This scenario is the only one so far which proposes a quantitative interpretation of the non detection of N₂ in several comets of the Oort cloud (Iro et al., 2003). It may explain the large variation of the CO abundance observed in comets and predicts an Ar/O ratio much less than the upper limit of 0.1 times the solar ratio estimated on C/2001 A2 (Weaver et al., 2002). Under the assumption that the amount of water ice present at 5 AU was higher than the value corresponding to the solar O/H ratio by a factor 2.2 at least, the clathration scenario reproduces the quasi uniform enrichment with respect to solar of the Ar, Kr, Xe, C, N and S elements measured in Jupiter by the Galileo probe. The interpretation of the non-uniform enrichment in C, N and S in Saturn requires that ice was less abundant at 10 AU than at 5 AU so that CO and N₂ were not clathrated in the feeding zone of the planet while CH₄, NH₃ and H₂S were. As a result, the 14N/15N ratio in Saturn should be intermediate between that in Jupiter and the terrestrial ratio. Ar and Kr should be solar while Xe should be enriched by a factor 17. The enrichments in C, N and S in Uranus and Neptune suggest that available ice was able to form clathrates of CH₄, CO and the NH₃ hydrate, but not the clathrate of N₂. The enrichment of oxygen by a factor 440 in Neptune inferred by Lodders and Fegley (1994) from the detection of CO in the troposphere of the planet is higher by at least a factor 2.5 than the lower limit of O/H required for the clathration of CO and CH4 and for the hydration of NH₃. If CO detected by Encrenaz et al. (2004) in Uranus originates from the interior of the planet, the O/H ratio in the envelope must be around of order of 260 times the solar ratio, then also consistent with the trapping of detected volatiles by clathration. It is predicted that Ar and Kr are solar in the two planets while Xe would be enriched by a factor 30 to 70. Observational tests of the validity of the clathration scenario are proposed.     

一种小功率孔形阳极喷嘴等离子体炬的研究

为了提高小功率等离子体炬的综合性能,本文作者研制了一种新型具有孔形阳极喷嘴的小功率等离子体炬,功率1~5kW。采用流体模拟计算的方法,计算了喷嘴出口附近射流的流场结构特点。通过实验分别测试了采用氩气、氮气作为工质气体时等离子体炬的运行电流和电压,观察了等离子体射流形态和电极烧蚀情况,通过测量等离子体射流前方中心轴线位置处的光谱的方法计算射流温度,采用气体分析仪测量了等离子体射流附近的二氧化氮浓度。测得的试验数据显示相同工质流率和电流条件下,氮气等离子体射流运行电压远高于氩气,而光谱测得氩气射流的温度远高于氮气。氮气等离子体射流和外界空气接触产生了少量的副产物二氧化氮（低于10mL/m3）,而氩气等离子体射流附近无二氧化氮产生。