矩方法及其在水凝结研究中的应用与发展

矩方法(Method of Moments,MOM),又可以称作内部坐标矩方法,通过求解液滴尺寸分布函数对内部坐标的各阶矩的输运方程,反映粒子数量及尺寸分布的演化。在各种有关伴随凝结流动的数值方法中,矩方法兼顾了计算效率和液滴分布信息,因此被广泛应用于水凝结的研究。本文首先介绍了经典矩方法,综述了矩方法的最新发展。然后应用经典凝结矩方法,研究了伴随同质凝结的Prandtl-Meyer膨胀流动问题,计算发现随着来流水蒸气饱和度的提高,凝结诱导的激波由定常状态向非定常状态转变,出现自激振荡现象;进一步,将经典凝结矩方法推广到异质凝结领域。通过引入"瞬间活化"假设,简化了异质成核模型,将此方法应用到伴随异质凝结的激波管问题中,进行了参数研究,加深了对异质凝结和流动相互作用的认识;最后针对经典矩方法无法处理相间相互作用的问题,将经典矩方法中的矩方程改写为基于液相平均速度的形式,发展了一套考虑相间质量、动量、能量交换的矩方法,应用此方法研究了伴随同质凝结的旋涡运动问题,分析了旋涡中凝结的产生过程,以及凝结与流动相互作用对液相分布的影响,计算结果显示了凝结生成的液滴在离心力作用下离开旋涡中心的现象。     

结冰风洞中液滴相变效应数值模拟

为明晰结冰风洞中液滴相变效应,发展了基于Euler法的气液两相传质传热耦合流动计算方法,探索了3 m×2 m结冰风洞主试验段构型相变效应对液滴传热过程的影响,开展了参数影响研究,评估了试验段内液滴过冷状态。结果表明：构型内液滴经历了先蒸发后凝结两个阶段,蒸发效应促进了准一维传热阶段液滴温度的下降趋势,使液滴温度趋于湿球温度,而凝结效应则抑制了三维收缩阶段液滴温度的下降趋势,进而增大了试验段液气温差,影响液滴过冷状态;增大初始相对湿度和试验段气流速度,会导致蒸发效应减弱而凝结效应增强,进而增强了相对湿度和气流速度对液滴过冷状态的影响程度,与此相反,初始液滴尺寸的增加,则会导致蒸发效应和凝结效应均减弱,进而减弱了液滴尺寸对液滴过冷状态的影响程度;在典型工况下,小尺寸液滴（液滴直径范围为40~100 μm）在高风速时（试验段气流速度大于164 m/s）将偏离过冷状态（液气温差超过3℃）。     

燃烧加热风洞中水蒸气相变的数值研究

采用带有非平衡相变模型和考虑高温气体效应的平衡流动模型的数值方法,模拟了燃烧加热高超声速风洞中燃烧生成的水蒸气在喷管流动中发生相变的物理过程,研究了水蒸气凝结对下游流场参数的影响和凝结后气流进入试验段时尖劈模型斜激波后发生液滴蒸发两种典型情况。研究表明,凝结产生的潜热使试验气流参数偏离初始设定的风洞出口模拟流场;在流场中产生的凝结激波,将加剧凝结对风洞出口参数的均匀性的影响;对出口马赫数为6的喷管,为了模拟静温为220K的高超声速飞行环境,水蒸气的凝结将难以避免;带液滴试验气流经斜劈压缩后液滴蒸发,斜激波后气流热力学参数不能恢复到无相变时斜激波后的状态,将影响模型实验的测力等数据。     

用光散射效应分析激波管内膨胀率对水蒸气成核与凝结的影响

用多重光散射法对水蒸气在激波管中的自发成核凝结过程进行了实验研究，分析了膨胀率对成核率和凝结过程的影响。根据理论计算和实测数据结果，所得结论是：膨胀率增大。会造成过饱和度、成核率、凝结质量份额和液滴生长率相应地增大。     

基于ADN基液体推进剂的无毒可贮存空间发动机

对一台基于ADN基液体推进剂的无毒空间发动机进行了试验研究。通过三维PDA(Phase Doppler Anemometry)综合测量系统,获得了发动机喷注器的雾化性能,得到了喷注器雾化液滴空间上的双分支分布以及液滴尺寸上的双峰状分布;通过高空模拟热试车试验,对于发动机的稳态、脉冲工作性能、工作过程中包含的催化分解及燃烧反应特性有了深入理解,研究了发动机启动时燃烧室内的建压和温度抬升过程,揭示了ADN基发动机在点火过程中体现出的点火延迟特性。     

基于ADN基液体推进剂的无毒可贮存空间发动机试验研究

对一台基于ADN基液体推进剂的无毒空间发动机进行了试验研究。通过三维PDA(Phase Doppler Anemometry)综合测量系统,获得了发动机喷注器的雾化性能,得到了喷注器雾化液滴空间上的双分支分布以及液滴尺寸上的双峰状分布;通过高空模拟热试车试验,对于发动机的稳态、脉冲工作性能、工作过程中包含的催化分解及燃烧反应特性有了深入理解,研究了发动机启动时燃烧室内的建压和温度抬升过程,揭示了ADN基发动机在点火过程中体现出的点火延迟特性。     

激波管内膨胀气流导致汽—液瞬态相变的测量方法

建立激波管装置,用以产生一维非定常的膨胀气流。描述膨胀气流的流场分布以及由此导致的水蒸汽自发成核、相变、凝结的物理过程。实验装置中,设置两个通道探测瞬态相变的信息:动态压力传感器探测膨胀气流的压力变化和光电倍增管探测水蒸汽从成核直至生长成液滴(凝结)所产生的光散射辐射强度。两种信息都由FFT(CF-910)分析仪采集记录,得到膨胀气流的压力曲线,显永过饱和度的变化;得到散射光功率曲线,立定不同蒸汽分压下液滴的相对增长速率。     

流向强迫作用下的液体初始雾化机制及动力学特征

使用Volume of fluid (VOF)方法和基于树形数据结构的自适应算法来研究射流雾化的破碎过程以及扰动对射流破碎机理产生的影响。在无扰动情况下,液体射流的头部、液丝和液滴随着射流时间的发展不断发生演变。射流头部先呈现蘑菇状外形,随后液丝生成,并慢慢转变成网兜状,直至断裂形成小液滴。在周期性流向强迫的作用下,射流液柱的表面会形成周期波,其液丝破裂形成液滴的时机与稳定射流情形相比会有所提前,射流形成的头部更趋于扁平,最终生成的液滴数量更多。低中频阶段,随着扰动频率的增大,射流未扰动液柱长度(L)逐渐缩短,液滴直径的概率密度分布(PDF)趋于尖锐,液滴平均直径(SMD)增大。在高频阶段,随着扰动频率的增大,L会随之增大,液滴直径的PDF分布变得平缓,SMD会减小。     

水蒸汽凝结对超声速风洞蒸汽引射系统的影响

蒸汽引射方案是引射式超声速风洞的可选方案，为考察该方案产生凝结激波的条件及其水蒸汽凝结对引射系统性能的影响，在Fluent平台上采用自定义模块耦合希尔动量模型，编写了能模拟高速气流中水蒸汽凝结的计算程序。校验了数值模型和方法的可靠性。在此基础上，对蒸汽引射流场内的水蒸汽凝结问题进行了初步数值研究。得到喷管、引射流场参数以及液滴质量百分数、结核增长率的分布。结果表明：（1）水蒸汽凝结主要发生在引射喷管和喷管出口膨胀区中。其中，在引射喷管内的蒸汽凝结占大部分。凝结核增长为主要特征。（2）初始结核区位于超声速气流是凝结激波产生条件。采用饱和蒸汽引射可避免产生凝结激波。（3）尽管是否考虑凝结／无凝结效应会造成引射流场产生差异，但两者总体相似。（4）水蒸汽凝结会给引射系统带来较大的性能损失，但通过改进气动轮廓可减小其影响。     

环形水射流流场的实验研究与统计分析

在11、12和15MPa射流压力下对环形自由水射流流场进行实验研究,以获得该射流场的能量特征与液滴尺寸分布规律。运用相位多普勒粒子测速（PDPA）技术对射流流场中的速度分布和液滴粒径分布进行测量,并对通过不同位置控制体的单个液滴行为进行了统计分析。研究表明：环形射流流束中心存在着较宽的高速区域,且射流能量沿着射流方向衰减缓慢;距离喷嘴的轴向距离越大,射流横断面上的速度与液滴粒径分布越平坦;射流压力对流束中心的轴向速度变化影响较大,对液滴粒径分布的影响不明显;射流流束中心区的湍流脉动较弱,但通过位于射流中心位置的控制体的液滴粒径谱较宽。     

Radar target novel characteristic detection method

In this paper, a method of radar target detection based on 2-dimensional (2D) fractal dimension is proposed. The proposed approach exploits both range information and azimuth information to estimate fractal dimension. Moreover, the approach can increase the number of the data points. The above two merits result in the fractal dimension estimated by this method is more accurate and robust than the previous method. The detection performance is also better than the previous one, which only makes use of 1-dimensional (1-D) information to estimate fractal dimension. Theoretical analysis and experimental result show that the proposed method performs well in strong clutter background. The proposed method is also validated by real-life radar data, and the better result has been achieved.     

Novel radar target detection

Herein, a novel method of radar target detection based on 2-dimensional (2-D) fractal dimension is proposed. The proposed approach exploits both range information and azimuth information to estimate fractal dimension. Moreover, the approach can increase the number of data points. The above two merits result in the fractal dimension estimated by this method are more accurate and robust than the previous method. The detection performance is also better than the previous, which only makes use of 1-dimensional (1-D) information to estimate fractal dimension. Theoretical analysis and experimental results show that the proposed method performs well in a strong clutter background. The proposed method is also validated by real-life radar data, and the better result has been achieved.     

多芯线束压接拓扑与性能的分形几何关系

为建立微小型多芯线束压力连接器的芯线拓扑分布与其连接性能间的连接可靠性评价,以一种广泛使用的微型多芯线束连接器为研究对象,通过大量实验发现,多芯线束压接变形后的拓扑轮廓具有典型的分形特征;芯线变形截面的分形维数是其压接性能的一种度量,随着芯数的增加,芯线内部各素线的分布趋于稳定,线束的拓扑分布对其压接性能的影响逐渐减弱;即多芯线束压力连接后芯线的拓扑分布与其连接性能存在分形几何关系。此种分形几何关系的建立对基于实验和接触有限元解析结果的多芯线束压力连接器的性能评价具有较强的工程参考价值。     

TC11钛合金焊接接头低周疲劳分形损伤演化研究

基于损伤力学和分形理论,在金属材料疲劳断口的形貌特征具有统计自相似性的基础上建立了表征焊接接头断口损伤的面分形损伤演化模型.利用TC11合金低周疲劳试验后所得到的断口测得其面分维数,结合试验数据拟合获得该材料损伤演化方程参数;从而建立了TC11合金焊接接头三级载荷下的疲劳损伤演化方程;同时将该模型与基于断口表面裂纹扩展的线分形损伤演化模型加以比较.      

一种确定模型误差位置的方法

本文首先由解析有限元模型的模态矩阵,得到未测量自由度与已测量自由度模态之间的变换关系,利用该关系对解析模型进行缩聚。然后针对缩聚后的特征方程,利用解析刚度矩阵和质量矩阵以及实测的模态参数确定模型误差位置。模拟结果表明,该方法可行。     

离心喷嘴液雾特性沿空间变化的研究

通过激光散射技术,测量了离心喷嘴下游液雾特性（液雾平均尺寸、尺寸分布指数）沿径向距离及沿倾斜方向的变化,建立了相应的物理模型,进行了计算。计算结果与试验数据相符很好,表明本文提出的模型的合理性。     

稠液雾对激光散射液滴尺寸测量影响的试验研究

本文研究了稠液雾对激光散射液滴尺寸测量的影响。采用马尔文激光测雾仪, 用五个内混合空气雾化喷嘴沿激光束排列来组成稠液雾, 由此得出多重散射修正系数的数据。通过回归分析得出经验方程, 该方程表示修正系数是遮光率 OBS, 稀液雾状况下的索太尔平均直径 SMDo和稀液雾状况下的 Rosin-Rammler分布的液滴尺寸分布参数 No 的函数, 该经验方程可以非常好地概括试验数据, 可以在实际试验中用于对高遮光率下得出的马尔文测雾仪数据进行修正。      

分形树状通道换热器内的流动换热特性

建立了分形树状通道换热器中层流流动与传热的三维稳态模型,采用流固耦合计算方法对入口水力直径为4mm的矩形截面树状通道内流动换热进行了数值模拟,重点研究了分叉效应对传热的强化机理和换热器受热面的温度分布。研究结果表明:分叉处形成的二次流能有效地强化换热;与传统的蛇形通道相比,分形树状通道换热器具有温度均匀性好、压降小的明显优势。在相同入口雷诺数时,分形树状通道换热器受热面的最大温差远小于蛇形通道换热器,另外,分形树状通道的层流流动压降较之蛇形流道可减小50%以上。同时,加工了分形树状通道换热器及蛇形通道换热器各一套,对数值模拟结果进行了实验验证。实验值与模拟值能较好地吻合,证明了所建流动换热三维数值模型正确可信。     

价电子-分形燃烧模型燃速模拟计算

在价电子燃烧模型的基础上，运用分形理论建立了一个崭新的固体推进剂价电子．分形燃烧模型。针对AP颗粒形状不规则的特点，引进分形维数，进行了燃烧模拟计算方法的有关公式推导和编程计算研究，用价电子-分形燃烧模型编制出燃速计算软件。计算结果表明，该模型比价电子模型计算结果更接近实验值，这说明新型的价电子-分形燃烧模型更合理。     

喷雾场特性的实验研究

采用全息方法对流动环境中实际喷嘴的喷雾场进行了大量的实验研究，获得了在不同工况下喷雾场液滴尺寸分布，液滴运动速度及运动角度和空间分布等许多实验结果，这些结果给出了喷雾特性随喷雾压力，气流速度和喷嘴尺寸等因素的变化特点，揭示了喷雾场中液滴速度及角度的分布规律，为喷雾运动的计算提供了有用的数据。