基于液滴定向反弹的混合润湿性表面设计准则（英文）

液滴撞击固体表面的定向反弹在防结冰/起雾、自清洁等工程应用中具有重要意义。混合润湿性表面已被证明是一种有效的液滴操纵方法。本文对液滴撞击构筑有亲水条纹的疏水基底进行数值模拟研究，采用已验证的扩散界面法来捕获界面演化。首先，研究卫星液滴在撞击过程中的形成过程，通过分析液滴的垂直速度和横向速度，明确混合润湿性表面在液滴扩散、收缩和反弹阶段中的作用。然后，系统探究条纹宽度对液滴反弹形式和接触时间的影响，重点关注液膜演化和液滴弹跳过程中的动力学和能量传递机制。所得结果可以指导混合润湿性表面的优化设计和液滴定向回弹的控制。     

高韦伯数下煤油液滴的破碎机理研究

为了探究高韦伯数下气流速度及液滴初始直径对液滴破碎以及Rayleigh-Taylor不稳定波的影响，进行了煤油单液滴在气流中破碎的实验，采用高速摄影技术记录了液滴的破碎过程，应用包含粘性和表面张力的Rayleigh-Taylor不稳定性理论分析了液滴的破碎过程，对Rayleigh-Taylor不稳定波波长与液滴破碎时间进行了理论计算，并与实验结果做了对比研究。结果表明:当We为321左右时，煤油液滴开始呈现灾型破碎模式；气流速度、液滴初始直径对液滴表面的最大增长率Rayleigh-Taylor不稳定波的波长、增长率和临界波长均有影响；Rayleigh-Taylor不稳定性理论在预测最不稳定波长时，结论与实验结果的误差不超过6%；取经验参数M为8.9时，液滴破碎时间理论与实验误差最小。     

液滴碰撞超声振动曲面的实验研究

通过实验研究了超声振动曲面上液滴碰撞的动力学行为。对边缘飞溅、表面飞溅以及毛细波、空化和子液滴回弹等复杂物理现象的产生机理和条件进行了分析，得到了超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界曲线，并发现由于气动力的作用，超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界超声振幅要小于平面情况。利用图像处理技术得到了不同条件下超声振动曲面对碰撞液滴的驱离效率以及飞溅液滴的尺寸分布。实验结果表明:碰撞液滴的驱离效率随振动曲面超声振幅的增大而增大，且呈线性增长；在高速碰撞中，碰撞速度几乎不影响超声振动曲面的液滴驱离效率；随着超声振幅的增加，飞溅液滴的平均尺寸增加。通过常温液滴与过冷液滴的碰撞实验对比，发现温度对超声振动曲面上液滴的动态碰撞过程影响较小。在过冷条件下，液滴驱离效率会略低于常温条件下，但仍能够持续有效地将液滴驱离表面，从而抑制冰层的增厚，说明超声振动曲面具有防水防冰的应用潜能。     

不同液池深度下液滴撞击成泡现象

液池内液滴撞击成泡现象广泛存在，具有重要科研价值。利用高速摄像技术，测试了液滴从3~15m高度下落撞击不同深度液池时的液面成泡现象，给出了液池深度和液滴韦伯数We对撞击成泡的影响规律。结果表明:液滴撞击浅液池时，可以在撞击中心处形成1个圆泡，但撞击深液池时，则会先形成环形水泡，进而发展成1或2个圆泡，且成泡位置并不在撞击中心位置；在液滴撞击速度、液池深度、回落二次液滴等因素影响下，液滴撞击成泡现象呈现复杂的概率分布特性。     

水滴撞击冻结过程的数值模拟研究（英文）

利用发展起来的数值算法模拟了微尺度水滴在冷表面上的撞击冻结过程，采用格子玻尔兹曼通量求解器计算流场，应用相场方法追踪水气界面，基于焓模型确定冰水界面。通过与实验对比水滴在表面上撞击冻结过程中的外形，验证了数值方法的准确性与可靠性。本文研究水滴动态冻结过程时考虑了水滴尺度、撞击速度及冷板温度3个因素的影响。结果表明，水滴底部冻结限制了水滴在表面上铺展后的弹跳过程，可能形成帽子状的形态。水滴撞击速度增加，冰层在水滴径向上发展更快，水滴与表面间的传热增强。另外，温度控制着水滴中心的动力学过程，当表面温度更低，水滴可能会在中心出形成凹坑。通过对水滴内部温度分布情况分析可知，热流密度随着离冷表面距离的增加而降低。随着结冰增长，水滴轴线上逐渐降低的温度与冷表面温度呈非线性关系，表面温度越低，由于温差增加，冰层内部的无量纲温度变得越低。     

防除冰过程中的传热传质特性（英文）

通过数值模拟和实验研究了抑制冰形成的两种方法：被动的表面功能化和主动的超声振动技术。由于表面凸起的宏观结构能在液滴扩展和收缩过程中改变其形状，因此液滴撞击具有立方体、单个和交叉三角脊以及悬空棱镜等宏观结构的超疏水表面时的接触时间可以有效降低。受到超声振动的基板会形成非线性的等效剪切应力分布，从而导致撞击液滴出现不同的动力学模式，并提高了除冰性能。研究揭示了表面宏观结构和超声振动技术对抗冰和除冰的有效性，为设计和优化抗冰/除冰系统提供了潜在方法。     

粘性耗散对微管内部液体温升影响的实验研究

以去离子水为工质,流经内径分别为19.6μm和44.2μm石英管,实验研究了粘性耗散对微管内部流动的影响.采用微区热成像技术,使用红外成像仪加特种放大镜头测量了微管内部由于粘性耗散导致的温升△T,同时测量到相应的压降与流量,从而获得摩擦因子f、△T及雷诺数Re的关系.研究表明,在低Re数下,f的值与HagenPoiseuille理论预测值几乎一致;随着Re数的增大,工质与微管为壁面之间高的速度梯度引起粘性耗散导致工质温升,进而使得f的实验值增加.f的实验值与Hagen-Poiseuille理论预测的最大偏差达到15%~20%.     

编织复合材料弹体和靶板偏航撞击响应分析

为研究复合材料机匣在复合材料弹体撞击过程中弹体的破坏模式与机匣吸能特性,在ANSYS/LS-DYNA软件中基于连续损伤力学模型开展了一系列的复合材料弹体偏航撞击仿真。仿真结果表明:对于偏航撞击,随着偏航角度的增加,弹体剩余动能逐渐减小,靶板吸收的能量逐渐增大,主要是因为偏航角度越大,弹体与靶板接触面积逐渐增大。同时通过仿真得到钛合金弹体冲击复合材料靶板的计算结果,发现钛合金弹体临界穿透速度比复合材料弹体小,更易击穿靶板,因此复合材料叶片的使用不仅可以减轻叶片的质量,也有助于改善机匣包容性。     

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响.结果表明:有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动.NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率.NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火.NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低.凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小.NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构.     

复合材料疲劳性能的能量耗散试验研究

材料的损伤、屈服、断裂及破坏过程都是一个需要消耗能量的过程,材料的疲劳是.个耗散的过程.通过对T300/QY8911纤维增强复合材料层合板的疲劳试验,应用能量耗散方法对层合板的疲劳性能和损伤进行分析评估,并通过红外热像仪宏观监测试样表面平均温升的变化趋势.主要包括以下几个方面:1)分析铺层方式对能量耗散密度的影响以及能耗密度与材料疲劳性能和损伤的内在联系,发现能耗密度在初始循环阶段(约为循环寿命数的10%)随着循环数的增加上升较慢,在后一循环阶段出现急剧攀升趋势;2)通过监测试样表面甲均温升的变化趋势,发现试样表面温度的宏观变化趋势与能耗密度的变化趋势具有相似性.     

跨音速机翼操纵面定常、非定常气动力计算

采用代数方法及椭圆型方程线松弛迭代优化方法生成三维ＣＨ贴体网格。用时间精确近似因式分解差分方法求解守恒型非定常全位势方程。操纵面偏转用物面当量法向速度模拟。考虑附面层影响，通过粘位迭代得到跨音速机翼操纵面的定常、非定常气动力。所得结果与实验数据相当吻合。     

可变后缘弯度机翼柔性蒙皮的变形特性分析

应用面元法和有限法建立了柔性蒙皮在气动载荷作用下的流固耦合分析方法。数值仿真结果表明:位于变形后缘上表面的柔性蒙皮在气动载荷作用下将被"吸"成鼓包形状,且这个局部变形对翼型后缘部分的压力分布具有很大影响。在此基础上,研究了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形随其弹性模量、厚度和初始预应变的变化规律。可以得出,柔性蒙皮的变形量随着翼型后缘偏角的增加而先增大后减小,并不是随着后缘偏角的增加而增大;增加蒙皮的厚度可以减少柔性蒙皮的最小弹性模量和最小拉伸刚度,但蒙皮的厚度受限于机翼的结构空间;满足Jacobs形变准则的蒙皮最小拉伸刚度随着蒙皮预应变的增加而降低。     

考虑界面微观滑移的连接非线性系统多尺度分析

振动环境下,连接界面上存在着复杂的多尺度粘滑摩擦行为,进而造成含连接系统复杂的非线性振动现象。本文针对机械结构中的搭接连接系统,采用改进的Iwan迟滞非线性模型建模连接界面的多尺度粘滑行为,建立了连接系统的非线性运动方程,利用多尺度摄动分析方法研究了系统在初始条件下的自由振动,获得了系统响应的近似解析解并与直接数值积分解进行了对比;研究了粘性阻尼系数、刚度比等参数对系统动力学响应的影响。结果表明,Iwan迟滞非线性模型能够复现界面多尺度的微观粘滑行为;多尺度近似解析解和数值解吻合很好;连接系统的自由振动过程中,系统相轨迹以螺线收敛,但平衡位置可能发生偏移;界面切向刚度表现出随振幅增大而减小的软化非线性特点,系统瞬时固有频率随振幅减小而增大;振动过程中连接界面单位周期的能量耗散随振动幅值的减小而减小。研究结果为进一步探索含连接复杂装配结构的非线性动力学行为提供了基础。     

两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

两电极等离子体高能合成射流激励器通过腔体内电极间的瞬时电弧放电加热腔内气体,在激励器出口产生压差并喷出高速射流,从而产生反作用力和冲量。针对两电极等离子体高能合成射流响应快、持续时间短的特点,设计了单丝扭摆式微冲量测量系统,并结合高速阴影系统,对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行了实验研究。实验结果表明,两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs,射流持续时间约为1ms,射流前锋最大速度约为190m/s,射流流场发展过程中存在多道强压缩波,并以当地声速向下游传播。单丝扭摆式微冲量测量系统可实现μN·s量级冲量测量精度,单脉冲冲量约为32μN·s,并且在低频状态下射流总冲量随激励器放电频率成线性增加。     

基于单颗粒追踪法研究聚氧化乙烯溶液的微流变特性

基于单颗粒追踪方法研究了不同温度与浓度下聚氧化乙烯（PEO）溶液的微观流变特性。根据广义Stokes-Einstein关系及复杂流体黏弹性理论，利用颗粒追踪技术，对浓度为0.4 wt%~1.0 wt%的PEO溶液在25℃、35℃和45℃时的微观流变特性进行了测量和分析。研究结果表明，随着被测溶液浓度的增加，探针颗粒的布朗运动受限趋势增大，其中浓度为1.0 wt%的PEO溶液在25℃时布朗运动受限最为显著。黏弹特性模量求解结果表明:在实验条件下，PEO溶液的黏性模量（G"（ω））占主导而弹性模量（G'（ω））表现较弱；在相同温度下，黏弹性模量随着溶液浓度上升而增大；随着温度的升高，溶液弹性模量和黏性模量都呈现减小趋势，且弹性模量减小速率大于黏性模量减小速率。均方位移标准差分析表明，基于单颗粒追踪的微流变测量误差随追踪时间的增加呈增大趋势。     

大迎角三角翼旋涡运动及其破碎特性的数值研究

从流体力学的基本方程出发，利用Ｈａｌｌ的涡核准柱假设，导出反映涡核运动的Ｎ－Ｓ方程。采用差分方法计算旋涡流场，进而分析三角翼上前缘分离涡的运动特点及其破碎机下。从计算结果可以看出，旋涡的轴向速度向下游逐渐下降，且涡心处于降较快，外缘下降较慢，反映了粘性作用自涡心外缘逐渐下降的特点；涡核外缘的径向速度开始为负，说明开始阶段有流体流入涡核，随着旋涡向下游运动，径向速度有所增加，到一定位置后增加迅速，说     

利用压电主动构件进行空间桁架结构的振动控制(英文)

主动控制是增强结构设计鲁棒性、提高结构性能的一种有效方法。本文利用在空间桁架结构内部配置的压电主动构件作为控制执行元件,进行了结构的主动阻尼控制实验,获得了较好的阻尼控制效果.首先设计了一种用于桁架结构控制中的压电堆式主动构件,并对其进行了实验研究,然后采用直接速度反馈控制策略,实现了结构的主动阻尼控制。文中还引入模态耗散能因子的概念,讨论了主动构件的优化配置问题.通过实验比较了空间桁架结构开环和闭环时的振动响应,说明了文中所述方法的有效性.     

潜艇标模阻力试验的不确定度分析

为了改善拖曳水池的试验精度,对一条4.5m 潜艇标模 SUBOFF 进行重复拖曳阻力试验。本文参照 IT-TC 推荐规程中试验流体动力学不确定度分析规范,对由偏差极限引起的不确定度将由潜艇标模的几个外形、速度、阻力、以及温度、密度和粘性这几个测量系统分别进行估算;通过6次重复潜艇标模阻力试验结果的标准差分析,得到了摩擦阻力系数、总阻力系数的精密度极限;最后对该模型的摩擦阻力系数、总阻力系数进行了不确定度分析。结果表明:由温度引起的运动粘性系数的偏差极限占到摩擦阻力系数偏差极限的97%;总阻力系数的偏差极限98%来自于湿表面积的偏差极限;随着试验速度的提高,总阻力系数和剩余阻力系数的总不确定度降低。     

格栅湍流场风参数沿风洞轴向变化规律

格栅湍流场常用于各类风洞试验中,桥梁断面气动参数均与来流风参数有关。对不同格栅湍流场下的风参数沿风洞轴向变化的规律进行了研究,得出风参数主要与测点与格栅断面间距、格栅板条厚度和单元格栅边长有关。随着间距增加,平均风速短期内急剧衰减,然后趋于稳定。随着间距增加,来流湍流的总能量减小而主要能量迁移至高频区域:湍流度呈指数衰减,湍流积分尺度呈增长趋势;约化风谱形状保持相似,峰值对应约化频率值基本保持不变,但峰值变小。另外根据风参数的变化规律,调试出2类特定的湍流场参数:湍流度相似而湍流积分尺度不同的湍流场和湍流积分尺度相似而湍流度不同的湍流场,以便于详尽研究主要风参数对桥梁断面气动参数的影响。     

柔性电极电火花强化钛合金表面性能

采用旋转的柔性铜电极与钛合金表面在高频脉冲电源的作用下进行电火花表面强化,使空气中的氧等元素在放电形成的高温高压条件下与钛合金表面发生反应。结果表明:该试验条件下可以使钛合金表面硬度相对基体提高237%～399%;强化层厚度达到21～157μm;通过能谱分析(Energy dispersive spectrometer,EDS)及X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析表明,在钛合金表面生成了钛的氧化物等强化物质和钛与铜、锌等的合金;强化表面不存在明显的传统放电蚀除凹坑,但有明显机械刮磨涂覆痕迹,同时单脉冲放电能量被分散,使得表面粗糙度值的提高量较小且可控;在氢氟酸和硝酸混合溶液中,强化层具有较高的抗腐蚀能力,经过点面磨损测试表明,强化层表面耐磨性能相对于基体表面有显著提高。经强化,能够获得具有良好耐磨性、抗腐蚀性、表面良好的钛合金。