单相合金定向凝固〈100〉晶向浅胞晶形态选择

采用透明模型合金丁二腈-0.88mol%丙酮进行定向凝固实验,通过平界面失稳到浅胞晶形成演化过程的实时观测,对单相合金定向凝固〈100〉晶向浅胞晶形态选择进行分析。结果表明,平界面首先发生长波长失稳;随着界面扰动幅度不断增大,长波长范围内平界面继而发生短波长失稳;而后凝固界面在维持长波长基本不变的情况下经较长时间竞争生长形成浅胞晶,其平均间距与界面短波长失稳时的波长相当。浅胞晶形态选择过程主要与平界面形态失稳的两个特征波长有关,且平界面失稳特征波长在凝固界面稳定性理论预言范围内,短波长靠近理论临界波长的下限,而长波长可由凝固微观组织特征尺度选择几何标度律确定。     

气泡稳定性问题

在一维球对称解的基础上,研究了气泡表面二维扰动发展的稳定性问题。用WKB方法给出了扰动所满足的微分方程的一致有效渐近解,描绘了不同区域中扰动发展的行为。缝合相应的渐近展开,得到了在坍缩和膨胀阶段中扰动发展的整体解,讨论了扰动发展的完整的图象。对有关结果进行推广,讨论了流体的粘性和可压缩性对气泡稳定性的影响。     

激波冲击锯齿形界面的气泡竞争实验研究

通过实验在激波管中研究了平面激波冲击锯齿形界面的流动不稳定性演化过程,重点关注锯齿形界面初始顶角角度对气泡竞争的影响。利用肥皂膜技术生成初始气体界面,并采用高速摄影结合纹影方法对波后流场进行观测。结果表明:在界面发展早期,大、小界面几乎独立发展,说明气泡竞争在早期不起作用;随着时间发展,气泡竞争起作用,且随着锯齿形界面角度改变而变化,角度越小,界面上产生的斜压涡量越大,界面发展越快,气泡竞争越早出现且作用越显著。气泡竞争能够促进大气泡、抑制小气泡的振幅增长,且对小气泡的影响更大。气泡竞争同时会导致尖钉结构扭曲,进而改变界面总体振幅。气泡头部位移差在进入非线性增长之前会经历两个线性阶段,且第二个线性增长率较小,表明非线性效应在该阶段具有重要作用,大气泡受到非线性效应的影响更大。不同条件下的气泡位移差无法归一化,说明初始顶角角度对气泡竞争和界面演化具有重要影响。     

后掠机翼横流驻波及其谐波研究

使用Mack方法求解三维不可压Orr-Sommerfeld方程（忽略曲率影响）,得到模型在风洞最佳实验条件下空间最大放大率展向波长为4mm。以此为基础,选择大于此波长的具有代表性的展向扰动波长6mm与7mm,计算了这两个驻波及其谐波空间的放大率。研究在整个层流区主导流动的扰动波长及其发展趋势。使用丝网印刷的方式,在后掠机翼前缘添加粗糙带,人工引入6mm与7mm驻波,通过升华法验证了计算与理论分析。     

旋转扰动波对轴流压气机气动稳定性影响

利用旋转扰动波发生器在一台低速二级轴流压气机上开展实验,研究其旋转频率、扰动扇区角度以及产生的低压区个数对压气机气动稳定性的影响,发现不同的扰动扇区角度和低压区个数下对压气机稳定裕度影响最大的“危险频率”不变.基于M-G模型发展出考虑旋转扰动波影响的二维不可压缩模型,该模型可计算不同扰动扇区角度及低压区个数的旋转扰动波对压缩系统稳定性及动态失速特性的影响,对实验压气机进行建模分析,发现旋转扰动波会诱发模态波的产生,且频率越接近旋转失速团的传播频率对压缩系统稳定裕度的影响越大.      

反射激波冲击单模界面的不稳定性实验研究

激波诱导流体界面失稳问题广泛存在于惯性约束核聚变、超燃冲压发动机、武器内爆等工程应用中，相关研究具有重要意义。本文在改进的水平激波管中开展入射激波及其反射激波诱导单模气体界面失稳的实验研究，采用线约束肥皂膜技术生成较为理想的空气/六氟化硫（air/SF₆）单模气体界面，借助高速纹影技术捕捉激波冲击界面后的详细不稳定性演化过程，重点关注反射距离对不稳定性发展的影响（反射距离定义为初始界面和激波管尾端固壁的距离）。研究发现，在一定反射距离范围内，反射激波作用后的扰动增长率几乎为一个恒定值，与反射距离无关（即与反射激波作用前的扰动振幅及增长率无关），随着反射距离的进一步增大，扰动增长率降低。通过实验测量值与理论预测值的对比，发现Mikaelian模型和Charakhch’an模型（采用合适的经验系数）均能对反射激波作用界面后的扰动增长率给予有效预测，且这两种模型的经验系数都依赖于反射激波作用前的界面演化状态，如果反射距离的改变引起/（不引起）界面演化状态的变化，则需要/（不需要）改变经验系数的值。     

横流不稳定性条件下初始扰动增长实验研究

在具有近似等顺压梯度的45°后掠平板上，人工激励非定常扰动的条件下，进行了三维边界层承受横流不稳定性实验研究。在扰动增长的初始阶段，信号的信噪比非常低，本文首次成功测量了初始扰动的增长，将有用的信号有效地提取出来。对于不同的来流速度与不同的人工扰动频率与波数，一系列的实验研究提供了一组初始扰动的增长曲线。     

不同液压条件下锥形液膜破碎的实验研究

应用PIV激光粒子图像测速仪对由离心式压力雾化喷嘴喷出的锥形液膜的破碎进行了实验研究。澜得了不同压力下的扰动波波长、波速和振幅。研究结果表明，液膜半锥角随着液压的增加而增加，半波长的液膜段剥落后几乎立即破碎成液滴，看不到明显的液膜段收缩成液丝的过程。由实验拍摄的图像看，长、短扰动波同时存在，共同影响液膜的破碎。这些数据可用于发展锥形液膜初始雾化模型。     

微缺陷对高体积分数SiCp／Al复合材料拉伸性能的影响

建立了高体积分数SiCP/Al复合材料的微缺陷有限元模型,对其拉伸力学特性进行了模拟计算.通过对含孔洞、界面脱粘等典型微缺陷的模拟,发现孔洞的存在对材料性能影响不大;界面脱粘对材料承载性能影响最大,脱粘界面面积的大小与复合材料承载能力成反比.微缺陷之间的相对位置对材料拉伸性能的影响不同,靠近孔洞处界面脱粘比背离孔洞处界面脱粘使材料承载性能下降更大.进一步多颗粒模型的模拟分析,发现高体积分数SiCP/Al复合材料的非线性拉伸曲线与其内部颗粒界面逐步脱粘存在有一定的关系.在开始加载阶段脱粘比例递增较快,在接近破坏时脱粘比例递增减慢.     

自由剪切层中的三维不稳定性

本文是在文[1]的基础上研究自由剪切层中由Kelvin-Helmholtz不稳定波发展而形成的展向大涡结构的三维不稳定性。以大涡结构为基本流动,将稳定性分析归结为二维特征值问题,用pseudo spectral(伪谱)方法数值求解。研究发现:在没有亚谐波存在的情况下,大涡结构的最不稳定的扰动波是流向波长和其相同。展向波数较高,有对流特性的三维扰动波。它在剪切层中的发展与展向涡量的分布有关,大涡结构的涡核不稳定性和辫子不稳定性是流向涡形成的主要力学机制。本文还给出了不同雷诺数下三维扰动波增长率与展向波数的关系,这些结论与实验及数值模拟结果基本一致。     

定向凝固时热溶质对流对Al/AlLi共晶生长形态稳定性的影响

在垂直向上定向凝固条件下,研究了热溶质对流对二元亚共晶 Al-Li合金 Al/ Al Li共晶生长形态稳定性的影响。结果表明,晶体生长初期,热溶质对流较微弱,对界面形态稳定性无明显的影响,晶体以完全的Al/ Al Li共晶方式生长。当热溶质对流较强烈时,对界面形态稳定性产生严重的影响。平面界面失稳破开时,单相胞状晶领先生长。在单相胞状晶之间以 Al/ Al Li共晶方式生长。获得了二元亚共晶 Al-Li合金共晶的稳定性生长条件。     

Formation of Planetesimals and Accretion of the Terrestrial Planets

Planetesimals formed in the solar nebula by collisional coagulation. Dust aggregates settled toward the central plane, the larger ones growing by sweeping up smaller ones. A thin, dense layer of particles formed; shear-generated turbulence and differential motions induced by gas drag inhibited gravitational instability. Growth proceeded by collisions, producing planetesimals on a timescale of a few thousand years in the terrestrial zone. For bodies smaller than about a kilometer, motions were dominated by gas drag, and impact velocities decreased with size. At larger sizes gravitational interactions became significant, and velocities increased due to mutual perturbations. Larger bodies then grew more rapidly, this ``runaway' led to formation of tens to hundreds of lunar- to Mars-sized planetary embryos in the zone of terrestrial planets. The final accretion of these bodies into a few planets involved large impacts, and occurred on a timescale of 10⁷ to 10⁸ years. This scenario gives a reasonably consistent picture of the origin of the terrestrial planets, but does not account for the anomalously low eccentricities of the Earth and Venus. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

锥形液膜空间稳定性分析

对离心喷嘴喷出的锥形液膜做了空间不稳定性分析,导出了锥形液膜的色散方程,并对色散方程进行了数值求解和分析研究。研究结果表明,在液膜表面存在着对称扰动波和反对称扰动波。对于对称扰动波,液膜半锥角的增大使得液膜的不稳定范围和波增长率缩小,并且将扰动波的主波向长波的方向移动。而反对称扰动波既有类似于对称扰动波的变化规律,又有其自身的特点。仅考虑液膜曲率半径的变化时,半锥角的增大使得波增长率的减小趋缓。而同时考虑曲率半径和液膜形状的变化时,液膜的波增长率出现了两个局部峰值。这两个峰值分别对应长短不同的两个波长,并且短波的稳定范围和增长率均远小于长波。这说明锥形液膜的破碎受到两种长短不同的扰动波的共同影响,且在短波的影响下液膜更易破碎。      

不可压平板边界层转捩机理

基于扰动形式N-S方程,从空间模式的角度,采用Fourier伪谱及MPI(massage passing interface)并行方法,模拟了不可压平板边界层从层流到湍流的转捩过程.通过对计算统计数据的分析,比较了不同幅值入口扰动引起的转捩过程的同异.研究结果表明:当层流中扰动幅值逐渐增大后,非线性作用将修正平均流剖面,表现为不稳定区域逐渐扩大,很多高次谐波被激发.当平均流剖面被修正到一定程度时,不稳定区域变得很大,这使得更多的高次谐波被快速激发并迅速增长,即转捩过程开始.由于大量谐波快速增长导致扰动能量快速增长,同时,扰动能量的快速增长又进一步加速了平均流剖面的快速修正,即平均流剖面的不稳定特性发生了改变,这样的相互作用使得层流快速变为湍流,因此,平均流剖面不稳定特性的改变在转捩过程中起到了关键作用.      

镍基合金GH4169疲劳小裂纹的扩展行为

基于表面复型法，采用快速固化材料RepliSet监测了镍基合金GH4169单边缺口拉伸试样疲劳小裂纹的萌生和扩展行为，利用光学显微镜对复型进行了观测。结果表明:RepliSet材料可有效复制试样表面形貌，记录疲劳小裂纹的萌生和扩展过程。镍基合金GH4169疲劳小裂纹起始于材料表面夹杂，疲劳小裂纹早期扩展阶段受微观结构影响，扩展速率波动性较大。疲劳小裂纹扩展过程中的临界裂纹长度约为250μm，当主裂纹长度小于250μm时，裂纹扩展非常缓慢；但当裂纹长度超过250μm后，疲劳小裂纹快速扩展成为长裂纹并导致试样断裂。在双对数坐标系中，疲劳小裂纹扩展速率和裂纹长度近似为线性关系。      

幂律流体液膜破裂的线性稳定性分析

为对凝胶推进剂撞击式喷嘴产生的液膜的破裂行为进行研究,使用线性稳定性分析方法并结合幂定律本构方程对幂律流体液膜的稳定性进行了研究,并对流体物性参数、流变参数等对液膜流动稳定性的影响规律进行了分析.结果发现:稠度系数、流动指数和表面张力越大,液膜表面扰动波的增长率越小,波长越大.而较高的液膜速度、气液密度比和液膜厚度都使扰动波增长率变大,但波长随液膜速度和气液密度比的增大而减小,而液膜厚度的情况却相反.理论计算与实验值的对比表明,线性稳定性分析能较准确地预测液膜的破碎长度,但预测的表面波长却大于实验值.      

剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理

航空发动机燃烧室中,液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂,至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性,采用线性不稳定性分析法对无黏液体（工质为水）在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方程,根据其表面波的增长率及波数的发展情况对射流破碎进行预测。当气体韦伯数或液体韦伯数增大时,射流表面波增长率显著增加,最佳波长明显减小。液气动量比大于临界值时,Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性占主导作用;反之,Rayleigh-Taylor （R-T）不稳定性占主导作用。二维剪切气流在射流方向上具有速度梯度,只改变横向气动力对射流表面波的作用。气体韦伯数与液体韦伯数对射流破碎的作用与均匀气流相似;保持气流流量相同时,负梯度剪切气流可以加速射流的破碎。     

大负荷低压涡轮叶型分离转捩流动的大涡模拟

应用动力模式大涡模拟数值方法,对来流无扰动、不可压、雷诺数为5×104(基于进口速度和轴向弦长),定常来流条件下大负荷低压涡轮叶型(Pak B)叶型吸力面非定常分离转捩流动进行了三维数值模拟。在与相关实验数据的对比基础之上,对非定常流动物理信息进行了详细的分析讨论,揭示了计算来流状态下的Pak B叶型吸力面非定常分离转捩流动机理。结果表明,由无粘Kelvin-Helmholtz机制产生的、空间线性增长的初始二维不稳定性在分离剪切内诱导展向旋涡形成并脱落,脱落过程中的展向涡在非线性增长的三维不稳定性作用下发生变形并最终破碎成湍流。计算得到的Kelvin-Helmholtz不稳定性特征频率处于相关实验测量范围内。     

不均匀进气对压缩系统稳定性影响的逐级动态响应模型研究

发展了一种分析进口畸变对多级轴流压气机影响的逐级动态响应模型。采用动态压缩系统模型和动态加载技术,建立了一种压缩系统气动稳定性分析的新方法。应用新的模拟方法对一８级跨声多级压气机进行了详细的数值分析。结果表明,所发展的逐级动态响应模型更合理和可靠。基于流动阻塞,给出了一种更为迅速的压缩系统失稳识别方法。     

定向层片组织铸造 TiAl 合金的热等静压温度选择

研究热等静压温度对定向层片组织常规铸造 TiAl 合金层片分解程度和室温拉伸性能的影响,以期优选出适于定向层片组织的热等静压温度。结果表明：在1250℃热等静压处理,析出过多的等轴γ晶粒,降低了该合金的室温拉伸强度;在1290℃热等静压处理,发生层片粗化和生成随机取向二次层片,破坏了取向一致性,降低了室温拉伸性能的稳定性。在1270℃等静压处理,等轴γ晶粒析出量较少,且未见明显的层片粗化和二次层片,所得组织保持较好的层片组织完整性和取向一致性,并表现出最佳的室温强度、塑性和性能稳定性。确定适于定向层片组织铸造 TiAl 合金的热等静压温度是1270℃。