超高频脉冲GTAW熔池表面温度分布

针对5 mm厚Ti-6Al-4V钛合金平板完成焊接熔池红外热成像监测,研究分析了超高频脉冲钨极氩弧焊(UHFP-GTAW)熔池表面温度分布,与常规GTAW(C-GTAW)熔池表面温度分布进行了比较。结果表明,在均为定点加热母材20 s的条件下,与C-GTAW工艺相比,UHFP-GTAW电弧(20 kHz、40 kHz)作用下的熔池中心表面温度测量值增加了10~30 K;分别以不同温度(678 K、823 K和968 K)为参考值测量熔池表面的高温扩散区域,UHFP-GTAW所得试样的高温扩散面积缩小范围为13%~30%。基于热量、力作用和复合散热等要素构建了熔池模型分析其温度场分布特点,计算结果与试验数据基本相符。      

快变换超音频直流脉冲GTAW电弧行为

基于超音频直流脉冲钨极氩弧焊(GTAW,Gas Tungsten Arc Welding)电源输出脉冲电流沿变化率di/dt≥50A/μs的超音频直流脉冲方波电流,将其用于0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢GTAW焊接过程,研究分析了焊接电弧特性、电弧力及焊缝熔透特性.结果表明:超音频直流脉冲方波电流参数对电弧电学特性、形态及电弧力产生显著影响,与常规直流GTAW相比,快变换超音频直流脉冲GTAW电弧表现出明显的收缩效应,焊缝熔深在一定范围增大,熔宽减小,平均电弧力大幅增长,焊接效率提高.     

揭晓地球磁场真实模样

正地球磁场源自地球表面之下3200千米深处。法国国家科学研究中心最近的新超级计算机模拟显示,地球外核的液态金属流动,在这里因温度和压力差异产生电流,同时结合地球自转,可制造大规模的“发电机效应”。在这种发电机效应中,地球沿着地轴旋转,并且与     

旋转附加力对方通道内流动与换热的影响机理

在雷诺数为25000,旋转数为0~0.24,温度比为0~0.22的范围内,数值模拟了旋转光滑径向出流通道的内流动与换热分布,分析了哥氏力与离心浮升力对旋转管流的耦合作用机理.计算结果表明,切向哥氏力推动了通道截面内的双涡二次流,径向哥氏力则使得近侧壁流体加速和中心流体减速.离心浮升力对流动与换热的作用效果与哥氏力场的分布密切相关.换热计算结果从定性趋势上吻合公开文献中的实验现象,反映了旋转附加力的基本影响规律.     

轴向通流旋转盘腔内流动不稳定性研究

为了研究旋转腔内流动不稳定性问题,采用旋转坐标系稳态方程,用数值模拟的方法分析了轴向通流旋转盘腔内的流动,得到了旋转系下哥氏力和离心浮升力分别对流动不稳定的作用,以及这两个力的非线性综合作用对流动不稳定的影响.结果表明:哥氏力是恢复力,不影响流动稳定性;离心浮升力是造成流动不稳定的主要因素,盘腔内的流动是离心力场下的Rayleigh-Benard对流和强迫对流的混合流,随着浮升力的增强流动由稳态发展为非稳态;哥氏力与离心浮升力的综合作用加剧了流动不稳定性,盘腔内r-θ面出现了明显的旋向相反的对涡.     

重力跳动对多相流体系统的影响

研究了重力跳动对液桥表面及内部流体流动的影响, 以期明确重力跳动对多相流体系统的作用效果. 理论研究表明, 当重力跳动作用于液桥时, 液桥反响频率的大小取决于液桥尺寸和物性参数; 实验研究显示重力跳动引入的液桥表面振动、液桥内部流动与温度振动之间存在着三角耦合关系; 数值模拟结果揭示了重力跳动作用于液桥时液桥内部流体的流动结构. 另外, 对理论、实验与数值模拟结果进行了对比验证, 得到了吻合一致的结果.      

液态金属镓微重力下的融化传热特性

相变蓄热适用于周期性热流作用下航天器内部工作单元的温度控制,但是需解决微重力环境下相变材料融化速率低的问题.鉴于液态金属高导热系数和高单位体积潜热的特点,在微重力下将液态金属作为相变材料有望提高融化速率.通过对微重力下液态金属镓融化过程的相界面演化、流线和温度分布特征进行数值研究,分析了腔体尺寸和过热度对融化过程的影响.结果表明:微重力下镓的融化过程中,热传导起主导作用;镓的融化时间比冰和正十八烷分别减少了88.3%和96.4%,储热量分别为冰和正十八烷的1.2倍和2.2倍;融化时间随过热度增加而减小,随腔体半径增大而增大.此外推导出了液相分数随无量纲时间变化的关系.      

纳秒脉冲电子束冲击强化金属表面的研究

讨论了纳秒强脉冲电子束(功率密度为10⁹W/cm²)辐射金属表面后产生的强化作用.纳秒脉冲电子束瞬间在材料表面局部区域注入巨大能量,使金属表面微区瞬间产生高温高压和冲击作用,并产生骤热急冷过程,使材料表面硬度、耐腐蚀性和其他物化性能发生明显变化.文中讨论了脉冲电子束导致快速熔凝的热传导过程,并分析了从扫描电镜照片观察到的金属急冷过程的显微结构.纳秒强脉冲电子束注入是金属材料表面改性的新手段.     

高强铝合金复合脉冲VPTIG焊缝组织和性能

采用超快速变换复合超音频脉冲方波变极性TIG电弧焊接工艺进行2219-T87高强铝合金焊接,研究分析了焊缝显微组织和接头拉伸性能变化.结果表明,2219-T87铝合金复合超音频脉冲电流变极性焊接接头的组织和性能均发生显著变化,焊缝区显微组织明显细化,由粗大柱状晶向细小等轴晶转变,接头抗拉强度和断后伸长率显著提高.接头断口由脆性断裂主要特征转变为"韧性+脆性"的混合型断裂模式.在一定范围内,脉冲电流频率越高,脉冲占空比越小,作用效果越明显.复合超音频脉冲电流频率为40 kHz,脉冲电流占空比为20%时,接头抗拉强度和断后伸长率分别达到母材金属的70%和58%.     

双面电弧焊接工艺及物理过程分析

双面电弧焊接DSAW(Double-Sided Arc Welding)是近年来出现的一种焊接新工艺,它可以有效地增大焊缝熔深、减少焊接缺陷、降低焊接变形、提高焊接速度、节约能源消耗.从实际应用角度,介绍了DSAW工艺的基本形式,讨论了单电源及双电源情况下的工艺原理,重点对单电源DSAW工艺增大熔深的机理进行了分析,从电弧物理角度揭示了双面电弧的焊接机理,对DSAW工艺的推广应用具有很好的指导意义.      

微重力池沸腾中的气泡和传热行为数值模拟

基于标准动量传输方程、连续性方程以及能量方程,建立了单个气泡的二维数值模型,考察了微重力过冷核态池内沸腾中的气泡动力学和传热行为.在动量传输方程中耦合了表面张力和Marangoni力,连续性方程和能量方程中耦合了相变效应,考虑了加热面上过热液体层的影响,并引入相场函数捕捉气液界面的动态变化.结果表明:气泡在生长过程中,形状由最初的半球形变为椭球形,最后变为脱附时的梨形;气泡在加热面上自由迁移,呈非轴对称结构,并且气泡上部的温度场呈现为蘑菇云状;气泡的脱附直径正比于g-0.488,脱附周期正比于g-1.113,加热面上的平均热通量正比于g0.229.      

304不锈钢旋转双焦点激光-TIG复合焊接

为了提高激光-电弧复合焊接质量,提出了一种新的焊接方法——旋转双焦点激光-TIG(Tungsten Inert Gas)复合焊接.运用自行研制的旋转双焦点激光-TIG复合焊接头对304不锈钢进行了不同焊接参数下的工艺试验,并分析了焊接参数对焊缝成形的影响.结果表明在旋转双焦点激光-TIG复合焊接过程中,焊接电流和激光功率的大小和相互配合是2个热源能否有效耦合的关键因素,而旋转频率的大小对焊缝的熔深、熔宽影响不大,通过旋转双焦点激光和电弧的耦合作用可以有效地提高焊接热源的利用率.      

矩形通道中亚尺度肋片的流动换热数值分析

对装有不同结构亚尺度肋片矩形通道的流动和换热进行了数值模拟,获得了通道流场、温度场分布以及平均努塞尔数的基本特征,对各种肋片通道的换热特性进行了对比分析.计算结果表明:亚尺度肋片距主肋片根部越近越有利于散热;在远离热面区域,亚尺度肋片的比表面积越大传热效果越好.当扩展表面积相同时,亚尺度肋片的长宽比越大换热效果越好;计算结果及分析揭示了控制肋片最优几何形状的统一原则——广义温度梯度均匀化原则,并依照此原则确定了可以强化换热的较优的肋片结构.计算分析表明广义温度梯度均匀化原则可以控制对流换热过程的传热强化.      

Upwards migration phenomenon on molten lunar regolith: New challenges and prospects for ISRU

As part of our research on the feasibility of producing commodities from lunar regolith by thermal-driven processes with minimal terrestrial precursors we need to characterize, reproduce, and understand thermophysical properties of the molten regolith still unforeseen under the lunar vacuum conditions at a scalable sample size. Two unanticipated phenomena, apparently caused by lunar melt’s surface tension under vacuum, have been revealed in our research work, vacuum void formation and upwards migration. In this paper we present our findings and thinkable explanation on the upwards migration phenomenon experimentally observed and consistently replicated as JSC-1A lunar regolith simulant melted at high vacuum. Upwards migration of molten lunar regolith will make future lunar ISRU’s melting processes both challenging as molten bulk material would migrate upwards along the container’s walls, and also promising on new opportunities for alternative ISRU’s sustainable processes as regolith’s upwards migration takes place in uniformed thin-film pattern. Among the potential ISRU’s processes that might use controlled thermal thin-film-based migration without the necessity of terrestrial precursors are production of feedstock for 3D printing, fractional separation of regolith’s component’s (O₂, metals, and alloys) via pyrolysis, film coating, purification of valuables solid crystals including silicon, and fabrication of key elements for microfluidic, and MEMS devices. Thermal upwards migration phenomenon on JSC-1A’s melt is formulated and explained by the authors as due to thermal Marangoni effect (also known as thermo-capillarity) in which temperature gradients within the melt’s bulk and along the crucible’s wall yield the surface tension large enough to supersede the gravitational force and yield the experimentally observed upwards thin-film migration. As far as the authors know, upwards thermal migration of molten JSC-1A (or other lunar simulant regolith) under vacuum has not been reported in the literature. A thermal mathematical model accounting for thermal Marangoni effect on molten JSC-1A agrees with what experimentally was observed, the formation of the meniscus on the melt-wall surface interface along with an incipient upwards migration in thin-film pattern along the crucible wall that, according to the model, experiences large temperature gradient, an important factor to trigger the thermal Marangoni effect along with the fact that surface tension of the molten lunar regolith material is temperature dependent.     

Two-dimensional convection in liquid layer related to crystal growth techniques in space

In this paper, the Marangoni convection including buoyancy convection in two-dimensional fluid model was investigated experimentally and theoretically. The transparent liquid in the test cell was heated and cooled under various conditions. The fluid flow driven by surface tension and by buoyancy force was visualized and measured. The flow patterns, velocity distributions and temperature field were obtained and they were compared with the results of the numerical solutions. The effect of the configuration and the convection in microgravity on crystal growth was discussed. The temperature field of the crystallizing surface was predicted.     

歼击机座舱空气流动和传热模拟实验

对某型歼击机座舱的空气流动和传热进行了全尺寸地面模拟实验.模拟了气动热载荷和人体热载荷,并使用ATM2400型36通道多点气流和温度测量系统测量了5个测试面的速度场以及其中两个测试面和邻近服装表面的温度场.观察了供气流量和集中喷嘴开关对舱内空气流动状态和温度分布的影响,评价了该座舱的舒适性.结果表明:舱内速度场 并非相对座舱纵向中心面对称分布,而座舱内壁面温度分布亦极不均匀;集中喷嘴全开和全关时,舱内气流速度场和温度场及邻近服装表面空气温度的分布情况差别显著,但对舱内气流平均速度和平均温度的影响不大;舱内气流平均速度随供气量呈线性变化.实验结果可为数值模拟提供验证依据.     

低功率氮氢混合物电弧加热发动机模拟研究

对低功率电弧加热发动机内的传热与流动过程进行了数值模拟研究,分别采用氮氢混合物模拟氨和肼作推进剂,计算获得了不同入口总压和弧电流的多种工况条件下发动机内温度和速度分布.结果表明,随着弧电流的增加,发动机出口处的温度、速度和比冲也随之增加;随着入口总压的增加,工作气体流量增加,发动机喷管出口处轴向速度增加.对NASA 1 k W级电弧加热发动机采用氮氢模拟肼作推进剂进行了数值模拟,模拟结果与文献报道的实验结果大体相符.     

实践十号卫星蒸发对流箱地面科学实验结果分析

实践十号卫星蒸发对流实验旨在研究置于加热底板的蒸发液滴在相变过程中,表面蒸发与表面张力驱动对流的耦合机理及其不稳定性.为与空间实验结果进行对比,利用蒸发对流箱完成在轨工况的科学匹配实验,获得相应工况的地面科学数据、工程参数及实验图像.通过对地面科学匹配实验结果进行分析,得到不同工况下液滴形貌（体积、表面积、接触角、液滴高度、液滴直径）变化规律,以及液滴蒸发过程中温度、热流量、蒸发速率和蒸发流量的变化规律.依据实验结果分析研究了具有质量交换的复杂流体相变界面的热质传输规律.