加热板上蒸发液滴动态特性的实验

采用高速摄像技术可视化观察5 μl小液滴在铜、铝和不锈钢表面上的蒸发与核化过程,板温50～112℃.实验测量了液滴高度、湿润半径和接触角随时间的动态演化.板温低于100℃时蒸发处于自由界面蒸发模态,过程可分为两阶段,第一阶段液滴高度和接触角连续降低,湿润半径仅比初始值略有降低;第二阶段后退角恒定,湿润半径迅速降低至零.板温高于100℃时处于核态沸腾模态,液滴内部核化及气泡动力学过程强烈依赖壁面过热度.自由界面蒸发模态和核态沸腾模态,壁面平均热流与壁温均呈线性关系,斜率的不同反映两种模态换热机制的差别.     

球轴承接触角测量仪的动态不确定度

考虑球轴承接触角测量仪的自身动态特性、轴承外圈的试验转速、试验加载力对测量仪测量精度的影响，建立了测量仪的动态不确定度计算模型。针对小样本试验测试结果，采用灰色理论的方法评价了球轴承接触角测量结果的不确定度。基于不确定度的分离原理，分离出测量仪的自身动态特性、外圈转速、试验加载力对测量不确定度的影响规律，建立了接触角测量的动态不确定度计算模型，并通过实际算例验证了模型。建立的测量仪动态不确定度计算模型可用于预测不同工况下的接触角测量不确定度，有助于及时对测量仪进行相应的校准，以提高接触角测量结果的精度。      

倾斜射流撞壁形成的液膜外形的理论建模

倾斜射流撞击壁面在燃烧室液膜冷却、溅板式喷注器雾化等领域均有广泛应用。为了研究倾斜射流撞壁形成的液膜的基本形态、液膜边界大小,开展理论建模研究。通过建立在液膜边界的守恒方程及液膜在壁面上的厚度及速度分布关联式,形成一套能够求解倾斜射流撞击壁面后液膜形态及边界的理论方法。模型计算结果与文献中的实验结果对比表明,建立的模型能够较为准确地反映出壁面上液膜的基本外形。理论模型计算表明：液膜铺展面积随着射流速度和射流直径的增大而增大;当射流与壁面的夹角增大时,液膜流量分布的改变会导致液膜长度减小,宽度增大;模型计算结果能够反映出液膜边界随接触角增大而变小这一定性规律。     

运七飞机外表面沟纹膜减阻的实验研究

在１：１２运七原型全金属模型具有湍流流动的表面上粘贴沟纹膜，研究了沟纹膜对飞机阻力的影响，实验表明，顺流向沟纹膜粘贴在飞机具有湍流的表面上，可以减少飞机阻力５％～８％。     

Sol—GelTiO2薄膜的氮化研究

探讨了一种制备多孔性氮化钛薄膜的新方法。以钛酸正丁酯ＴＩＲ为前驱物,通过溶胶－凝胶（ｓｏｌ＿ｇｅｌ）过程可在不锈钢等基体材料表面涂覆一定厚度的ＴｉＯ２凝胶膜。Ｘ－射线衍射分析（ＸＲＤ）表明,以ＮＨ３气作为氮化气氛,能完成在ＴｉＯ２薄膜到ＴｉＮ薄膜的转变。     

液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制

针对飞机表面易结冰部位设计超疏水表面,可以大幅度减轻对高能耗防/除冰技术的依赖程度,进而提高飞机的燃油经济性。主要通过实验研究与数值模拟的手段,分析讨论了液滴撞击分级粗糙结构超疏水表面过程中的能量耗散机制。以Ti6Al4V为基体经过喷砂处理形成微米级粗糙结构,然后在1mol/L的低浓度NaOH溶液中水热生长一层一维纳米线,构建出微/纳米复合粗糙结构并氟化修饰获得超疏水表面。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观察了微观形貌的变化规律,利用动态视频接触角测量仪表征试样表面液滴表观接触角与接触角滞后。基于气液两相流动界面追踪的复合Level set-VOF方法,实现了液滴撞击超疏水表面过程的数值模拟。采用高速摄像技术记录了撞击液滴在超疏水表面的运动过程,实验验证了模拟方法与铺展计算模型的正确性,并详细讨论了液滴运动过程中的能量耗散问题,分析表明液滴撞击过程中的能量耗散主要取决于超疏水表面的动态润湿特性和润湿界面模型。     

基于三维格子Boltzmann铝点蚀动态数值模拟

铝作为目前最经济且应用最为广泛的材料之一，具有重量轻、耐腐蚀、导热性好、导电性好等优点。然而，金属铝在氯离子环境中容易发生点蚀。根据中性溶液中铝表面点蚀反应机理，结合液体流动和相变特性，建立了三维格子Boltzmann铝点蚀模型，研究了中性溶液中铝表面的点蚀现象，弥补了传统实验方法的不足。采用建立的腐蚀模型对整个铝点蚀过程进行了模拟，得到了不同组分的浓度分布以及不同参数与腐蚀程度的关系。结果表明：铝的腐蚀程度随接触时间的增加而增加。随着初始氯离子浓度的增加和腐蚀反应速率的增大，铝被腐蚀得更严重。三维格子Boltzmann铝点蚀模型为金属腐蚀数值研究提供了新的思路。     

减压器动态仿真的有限体积模型

通过对一维理想气体流动的有限元状态变量模型推导过程的拓展，获得了适用于变体积容腔的气体容积模型，并结合气体管道、气体阀门的有限元状态变量模型，通过对三者的组合运用发展了一种可仿真气体减压器动态工作过程的有限体积模型。采用此模型分别对某逆向卸荷膜片式减压器和某贮箱增压系统所用减压器进行了动态工作过程的仿真，前者仿真结果的稳态值与早期文献的实验数据和仿真结果相一致。表明有限体积模型的稳态精度合乎工程需要；后者的仿真获得了减压器各个腔室状态参数和阀芯开度的响应曲线，表明贮箱增压过程可以分为启动段、稳定段两个阶段，同时表明在理想气体绝热流动的假设下节流前后温度基本不变。数学模型和建模方法显示出良好的有效性和通用性。     

NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物动态行为研究

针对NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物的动态行为，在1,2,3MPa的N2环境中，对NEPE推进剂中铝团聚物在燃烧表面和脱离燃面后的动态燃烧过程进行了研究，提出了燃面与铝颗粒联合运动的简化理论模型。结果表明，铝颗粒的团聚分为堆积、聚集和团聚三个过程，铝团聚物在燃烧表面以及脱离燃面后均可能发生二次团聚，铝团聚物的二次团聚过程通常会形成大尺寸的铝团聚物。通过燃面与铝颗粒协同运动的简化理论模型，认为铝团聚的团聚时间受到压强、铝颗粒的体积分数和半径的影响。同尺寸铝团聚物的团聚时间随着压强的增大而较小，且在高压环境中的影响程度降低，与理论模型一致。同时压强会影响铝团聚物脱离燃面后的随流运动速率，同一压强条件下，直径越小的初始团聚物随流运动速率越快，直径越大的初始团聚物随流运动速率越慢。     

织构化表面对异质金属润湿性及界面反应的影响

不锈钢与铝合金广泛应用于火箭贮箱中隧道管与补偿器的焊接，熔钎焊已成为其主要连接方式，但接头存在低应力开裂，容易引起燃料泄漏等问题。为提高接头可靠性，首先采用超快激光加工技术在不锈钢表面烧蚀制备了微槽和微坑两种典型的织构化表面。然后，通过铝合金在不锈钢表面的原位润湿铺展试验研究了两种微织构对润湿铺展方向、接触角和界面反应产物的影响。试验结果表明铝合金具有沿微槽加工方向润湿铺展的趋势，而微坑的铺展则接近圆形；在微槽表面表现出更小的接触角，同时基于Wenzel方程对在两种表面润湿铺展的接触角进行数值计算，计算结果略大于实际结果。最后，分析了界面冶金反应对润湿铺展的影响。结果表明界面反应对铝合金的润湿铺展具有一定的促进作用，但过于粗大的界面反应产物则会阻碍润湿铺展。该激光织构化的方法不仅可用于不锈钢与铝合金体系，还可用于航空航天领域中其他金属与金属、金属与非金属之间的连接。     

油滴/金属壁面正碰撞的油膜动力学特性

为诠释轴承腔中润滑油滴与腔壁碰撞形成的沉积油膜流动铺展问题,采用流体体积(VOF)方法建立了油滴与金属壁面正碰撞的三维数值分析模型,在试验获得油滴与壁面静态接触角的基础上,通过数值计算,探讨了沉积油膜动态铺展和回缩过程,以及油滴直径和碰撞速度对沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力等油膜动力学特性的影响。结果表明:沉积油膜在最大铺展直径时呈中心微凹的圆盘形状,进入回缩阶段后则蜕变为边缘薄中心厚的圆盘形状;沉积油膜的回缩速度和回缩阶段的碰撞力都非常小,其值接近于0,并保持基本恒定;随着油滴直径的增大,沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力均增大;随着碰撞速度的增大,油膜铺展直径和碰撞力增大,特征厚度却随之减小。与相关试验结果的对比,验证了提出的数值分析模型的可靠性和正确性。      

动态湿润过程中薄液膜厚度场的演化

采用润滑近似分析完全浸润流体低毛细数下的动态湿润过程.结果表明,van der Waals长程相互作用力对表观接触线附近的液膜厚度场有重要影响,对于排斥的van der Waals力,膨胀压力大于零,自由界面上气相压力高于液相压力,液膜厚度随van der Waals力的增大而增大.毛细数对液膜厚度的影响表现为毛细数越大,液膜越厚.      

液滴─固面高速撞击问题中固体变形性的影响

将液滴—固面高速撞击的非线性流体动力学模型应用于固体动力学行为的研究之中,导出了固体可变形系数及其内部应力张量的计算方法,从而使作者提出的非线性理论模型能够计及固体变形性对撞击效应的影响。对刚性和可变形固面的撞击过程进行了比较计算和分析,表明在高速撞击条件下两者有较大的差别,并且固体的可变形性对撞击有着强化—缓解双重作用,这在工程选材时必须加以考虑。同时,本文还给出了工程材料的刚性判据。     

油滴与铝合金壁面的碰撞试验

机械零部件喷油或滴油润滑方式下油滴与零件表面碰撞后形成的沉积油膜流动特性决定着零件表面润滑油膜的分布特征和零件的润滑状态,对于这一润滑现象的深入理解需要对油滴与金属固体壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展行为进行研究。建立了油滴与铝合金壁面碰撞的试验装置,采用高速相机拍摄了油滴与铝合金壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展与形貌演化过程,分析了碰撞油滴的变形及沉积油膜的铺展与回缩历程,探讨了碰撞条件和润滑油黏度对沉积油膜流动铺展特性的影响。结果表明:与铝合金壁面碰撞后形成的沉积油膜铺展较快而回缩较为缓慢,没有明显的整体回缩现象和振荡过程。较小碰撞角度下,铺展初期油滴与壁面之间存在轻微滑移现象,受重力和铺展能量的作用,铺展后期油膜发生断裂并溅射离开壁面,但没有二次油滴生成。前铺展因子随着碰撞角度的减小和碰撞速度的增加而增大,后铺展因子则随着两者的增大而增大。油滴直径对前、后铺展因子的影响不太明显。      

描述1Cr18Ni9Ti不锈钢单轴棘轮行为的黏塑性本构模型

在室温下对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了单轴棘轮实验研究,提出了一种新的分离型黏塑性本构模型。引入了能记忆最大塑性应变的记忆面,在记忆面内和面上采用不同形式的塑性应变流动律和背应力演化律,将单调拉伸和循环行为分别独立描述。将模型应用于1Cr18Ni9Ti不锈钢单轴棘轮行为的描述中,模拟结果和实验结果吻合较好。     

面向航空发动机减重的铝合金管强化机理研究

为助推新一代大型航空发动机推重比的有效提升,开展面向航空发动机减重需求的高强度铝合金管件自增强机理研究。采用有效强化的高强度铝合金管件大规模替换航空发动机低温段不锈钢高压管件,是实现航空发动机减重的可行方法。通过研究高强度铝合金管件自增强工艺的强化机理,建立基于三剪统一强度准则,同时考虑包辛格效应、应变时效以及应变硬化的高压自增强工艺参数数学模型,并结合双线性随动强化模型,分析管路构件在强化过程中的弹塑性行为与残余应力分布演化规律,研究确定强化工艺参数。基于ANSYS,在额定工况下对强化后的铝合金管件和不锈钢管件的疲劳强度进行仿真分析,最后采用脉冲疲劳试验进行验证,证明自增强铝合金管件替换现役不锈钢管件具有较好的可行性。     

球状三嵌段共聚物在平面薄膜间的自组装

采用动态密度泛函理论（DDFT）对ABA型球状三嵌段共聚物在平板间的相行为进行了模拟研究。考查了不同强度的表面诱导对三嵌段共聚物自组装的影响。通过逐渐增大衬底作用,发现了多种偏离于本体的新结构,如浸润层相、平行柱状相、穿孔层相、层状相。发现浸润层相存在的表面场范围与短链的熵效应密切相关,同时熵效应的大小则依赖于长短链段的长度之比。在很多实际存在的嵌段共聚物中,如果在适当的实验条件下,应可以观察到模拟计算所预言的相结构。     

不锈钢丝增强铝复合材料研究

本文采用560(?)、70MPa0.5小时真空热压工艺制得了外观晶质优良、纤维排列均匀、厚约1毫米的不锈钢丝/铝复合材料板,并对其机械性能、拉伸应力一应变特性以及拉伸断口形貌进了分析,认为不锈钢丝增强铝复合材料具有广阔的应用前景。     

LF6铝合金与不锈钢异种金属惯性摩擦焊工艺技术研究

铝合金与不锈钢物理化学性能较大的差异使两者采用常规焊接技术较难实现连接。本文采用惯性摩擦焊接技术进行了LF6铝合金与不锈钢异种金属连接,分析研究了接头的微观组织及拉伸力学性能。研究结果表明,LF6铝合金与不锈钢惯性摩擦焊接过程中,相对不锈钢一侧,LF6铝合金一侧发生了较大的塑性变形,飞边主要由LF6铝合金摩擦挤压而成;微观组织显示LF6铝合金一侧分为细晶区、拉长晶区和母材区,细晶区中呈现为细小等轴晶状组织,拉长晶区为摩擦剪应力作用下的板条状拉伸组织。EDX分析表明,在摩擦热和顶锻力的作用下,焊接界面存在明显的浓度梯度,形成了数微米的扩散反应层;力学断口断裂于铝合金一侧受力薄弱区。