上随体Maxwell(UCM)流体热毛细液层弹性失稳的理论分析

通过对上随体Maxwell（UCM）流体热毛细液层线性稳定性的研究分析,发现流场会发生弹性失稳.扰动的增长速率随波数的增加而增加.与牛顿流体不同,UCM流体不存在临界Marangoni数,当波数达到某一临界值时会出现不稳定的弹性扰动波.该临界波数随弹性数和Marangoni数的增加而减小,当弹性数趋近于0时,流体即变为牛顿流体,而相应的临界波数趋于无穷.不同波数及传播方向上,弹性波的波速相同,而其增长速率在特定方向上达到最大.能量分析表明弹性波的扰动能量来自扰动应力做功.      

日球层内外能量中性原子的探测

能量中性原子(Energetic Neutral Atoms, ENA, 简称能原子)是指在日球层内外空间, 拥有>0.1keV动能的原子.在此空间领域并没有温度>106K的中性气体, 但却充满动能>0.1keV的正离子.因此能原子A应该是A+离子与原地稀薄气体B原子或分子交换电荷所产生的, 即A++B→A+B+. 电荷交换涉及极小的动能变化, 新生的能原子A和离子B+基本上各自保持原有动能. 离子B+随即被当地磁场俘获, 能原子A则脱离磁场约束并携带其原属离子群的成分和能量信息而直线运动, 成为遥测空间等离子体的有效媒介. 美国人造卫星 IBEX (Interstellar Boundary Explorer) 直接探测得到来自日球层以外星际空间的能原子, 大幅延伸了利用能原子遥测空间等离子体的领域. 本文据此论述了空间能原子的发现, 综述了探测空间能原子的基本概念与实例、取得的主要成果、仪器设计和研制进展以及未来空间利用能原子遥测的发展趋势.      

基于大涡模拟的平流层浮空器气动特性分析

为研究不同球体间距对“球形囊体型”平流层浮空器(SLV)气动特性的影响,采用有限体格式、结构网格和大涡模拟(LES)计算方法求解不可压缩的Navier-Stokes(N-S)方程,对超临界雷诺数“球形囊体型”平流层浮空器绕流进行数值模拟,并对不同球体间距下的数值计算结果进行详细的分析比较.通过对比试验数据,单球体数值模拟的阻力系数时均值与Achenbach的试验数据一致,验证了计算方法分析超临界雷诺数球体绕流问题的准确性.研究不同间距的双球体阻力变化规律以及振动频谱特性,随上下游球体间距G的增加,合阻力先增大后减小,上游球体的阻力占优振动频率逐渐减小;G=1.5D(D为球体直径)和G=2D时,上下游球体有相同的占优振动频率.随间距G的增加,两球体相互作用与上游球体对下游球体的尾涡结构影响逐渐减弱.      

环形浅液池内低Prandtl数流体超临界热毛细对流演化

为研究低Prandtl数（Pr）流体热毛细对流演化过程，对环形浅液池内Pr=0.011的流体热毛细对流进行三维数值模拟.研究发现:当Marangoni数较小时，流动为轴对称稳态流动；当Marangoni数超过某一临界值后，流动失稳并转变为热流体波，其波数随Marangoni数增加而减小，而波动主频增大；随着Marangoni数增加，流动加强，沿周向运动的热流体波演变为沿径向运动的径向波，其波数大大减小；当Marangoni数继续增加时，波动频谱曲线噪声增加，呈广谱特性.因此，在计算范围内热毛细对流的演化过程为:轴对称稳态流动-热流体波-单周期径向波-多周期三维振荡流动.      

浮力效应对射流扩散火焰转捩特性影响的实验研究

对不同空气伴流速度下丙烷层流射流火焰向湍流火焰的转捩过程进行实验观测，分析伴流对火焰转捩行为及稳定性的影响.相对于静止环境中的射流火焰，较大速度的伴流可以减小浮力效应对射流扩散火焰转捩过程的影响，使火焰发生转捩的临界Reynolds数（Re_cr）增大，即火焰推迟转捩.但当伴流速度较小时，Re_cr保持不变，转捩过程中的射流火焰发生周期性振荡，振荡幅度随着伴流速度的增大而减小，继续增大伴流速度，火焰振荡的周期性最终消失，转而呈现随机性.实验还发现，喷嘴直径较大的扩散火焰的Re_cr更大.考虑到火焰对燃料射流局部流动状态的影响，对此现象进行了解释.      

搅拌流内大振幅界面波特性研究

针对竖直管内不同工况下气液两相搅拌流内的大振幅界面波特征参数(波形、波幅、波长和频率等)及运动特性进行了实验研究,系统分析了流动参数对大振幅界面波特征参数及运动特性的影响规律。结果表明:由于重力和气流剪切力在大振幅界面波不同运动阶段的影响程度不同,大振幅界面波在运动过程中存在与气流先逆向后同向的运动特点,证明了液泛现象普遍存在于搅拌流内,揭示了造成搅拌流液膜振荡剧烈的原因;搅拌流内,大振幅界面波波形符合正态分布函数特征,且波幅较环状流内扰动波波幅大,但是波幅和波长变化趋势与环状流内扰动波变化趋势相似,即波幅和波长随着气速的增大而减小,随液量的增大而增大,且当气速较小时,临界波幅随着液量的增加逐渐趋于定值;而大振幅界面波平均产生频率随气速和液速的增大而增大。     

上游双扰动对圆柱气动特性影响的数值模拟

通过用商用计算流体力学软件FLUENT 6.0中的SIMPLE方法求解二维非定常层流模型,对雷诺数Re=200时上游双扰动体对下游圆柱气动特性影响进行了数值模拟研究.计算结果表明当双扰动体相隔较近(H/d=1.1,1.33)时,其后形成单一的Karman涡街,它们对下游圆柱的干扰作用类似于单扰动体时的情况,但是流动结构发生变化的临界间距Lcri较之有效宽度相同的单扰动体的要大,因此可以推断出在该种布置下双扰动体和圆柱绕流会出现2种流动模式.在空穴流动模式下面,下游圆柱的阻力和升力脉动最多减小94%和79%,系统阻力(包括圆柱和扰动体)也能减小33%.而当双扰动体尾流为双Karman涡街时(双扰动体相隔较远H/d=3.33,5.0),圆柱迎风面部分区域仍受到来流的冲击作用,气动力减小有限.     

均匀和畸变进气条件下轴流压气机失速分析

利用逐叶排的非线性模型,模拟了单转子压气机在均匀进气条件下失速的形成和发展过程,对失速特征参数的预测结果与试验结果基本相符.模拟了周向稳态总压进气畸变对单级轴流压气机失速特征的影响,畸变进气对压气机的失速特征参数影响不显著,但是畸变流场与失速流场的耦合作用激发轴向气流振荡增强,使压气机呈现出轴向与周向气流振荡两种失稳模态,它们的相互作用对压气机失稳具有重要影响.     

热毛细液层非模态稳定性分析

利用非模态稳定性方法研究了亚临界情况下的热毛细液层对初始扰动和外加激励的敏感性.通过瞬态增长函数和反馈函数分别反映流场对初始扰动和外加激励的放大.研究结果表明, 小Prandtl数(Pr)下的亚临界流动对初始扰动和外加激励均十分敏感,最大扰动放大与Reynolds数(Re)的平方近似成正比.在大Pr下,只有回流的亚临界...     

半浮区液桥自由面振荡特征

使用一套双路同步显微放大录像及图像处理系统,研究了夹角为90°的两个竖直剖面沿轴向不同高度液桥自由表面的位移振荡,得到轴向不同高度上的环向相位差,观测到在振荡周期内液桥表面轮廓线在不同时刻均不相交的特点。实验结果表明,液桥自由面振荡除具有径向扰动及轴向振荡变化外,还存在环向波动变化。根据实验结果,讨论了环向波动基本变化规律以及本实验在测量精度和测量误差方面存在的问题。     

近地磁尾方位角流期间的场向电流增强

以往研究表明，地向高速流在近地磁尾可演化为方位角流，电离层内的方位角流和极光膨胀活动发生时，通过磁力线追踪到近地磁尾等离子体片的对应部分通常为地向和方位角高速流.通过对2016-2018年THEMIS卫星计划中THA，THD，THE三颗卫星同时观测到的数据进行分析、甄别后，在筛选出的62个事件中挑选一个典型的方位角流事件，与过去单颗卫星在不同时间段内的观测数据统计平均给出的结果进行对比分析发现，三颗卫星同时观测到的数据与过去单颗卫星在不同时间段内观测数据的统计平均结果存在较大差异.通过比较此事件期间等离子体流在xy平面的流场图发现，场向电流的大小与三颗卫星同时观测到的流场剪切度有较好的相关性.研究结果表明，方位角流期间近地磁尾和电离层通过场向电流耦合时，场向电流并不是在一个较宽的磁地方时内均匀分布，而是在一个局域化区域及较短的时间内产生强场向电流，这可能是由于方位角流在xy平面内的强剪切而造成的.      

Hydrothermal instability of thermocapillary convection in large-Prandtl-number liquid bridges under microgravity

Linear stability analysis was performed to study the mechanism of transition of thermocapillary convection in liquid bridges with liquid volume ratios ranging from 0.4 to 1.2, aspect ratio of 0.75 and Prandtl number of 100. 2-D governing equations were solved to obtain the steady axi-symmetric basic flow and temperature distributions. 3-D perturbation equations were discretized at the collocation grid points using the Chebyshev-collocation method. Eigenvalues and eigenfunctions were obtained by using the Q–R method.The predicted critical Marangoni numbers and critical frequencies were compared with data from space experiments. The disturbance of the temperature distribution on the free surface causes the onset of oscillatory convection. It is shown that the origin of instability is related to the hydrothermal origin for convections in large-Prandtl-number liquid bridges.     

Observations of electron density in the solar corona during sunspot minimum and global electric currents around the sun

The observed difference in electron density between the equatorial plane and the polar direction is compared for three empirical distributions: the Allen distribution, the Saito distribution, and the Saito-Munro-Jackson distribution. It is shown that from 1.5R_o to 5R_o the observed difference in electron density is sufficient to result in a global azimuthal electric current flow around the sun. The dependence of the calculated current density on the radial distance and solar latitude is discussed.     

Surface tension-driven flows in horizontal liquid metal layers

The problem of surface tension-driven flows in horizontal liquid layers has been studied experimentally, and theoretically by direct numerical simulation and small perturbation analysis. We focus our attention on situations in which the depth of the fluid (liquid tin; small Prandtl number, Pr=0.015) is small enough to ensure the predominance of the surface tension forces over those due to the buoyancy. The surface velocity has been experimentally obtained for liquid tin layer with various aspect ratio (length to height) in the range 5<A<83. The thermal gradients are ranged from 5 to 40°K/cm. In the numerical study, the Navier-Stokes and energy equations are solved by an efficient finite difference technique. The parameters governing the flow behaviour in the liquid are varied to determine their effects on thermocapillary convection: the Reynolds number 10<Re<210⁴ and the aspect ratio 2<A<25; with Pr kept constant at Pr=0.015. The linear eigenequation resulting from small spatial disturbances of the Couette flow solution is solved using an Tau-Chebyshev approximation. A notable feature of the theoretical study is the totally different end circulations. In the region near the cold wall a multicell structure is evident. This agrees with the eigensolution which is of complex type, indicating spatial periodicity. In the hot wall region the flow is accelerated to reach the velocity value for the fully-developed Couette flow which is reached under conditions such as Re/A<20. The transition from viscous to boundary layer regime occurs for a critical value (Re/A)_c of nearly about 200, as deduced from the numerical and experimental results.     

大面质比空间碎片在太阳光压和引力作用下的轨道演化

分析了较高轨道(a > 10000km)大面质比空间碎片的轨道动力学演化问题. 重点讨论了位于地球同步轨道的空间碎片轨道演化问题, 并给出轨道偏心率 随时间演化的表达式. 通过进一步分析得出, 倾角大于63°26'的GTO轨 道空间碎片, 仅在J₂和第三体摄动影响下, 会出现轨道偏心率升高; 而对 于大面质比空间碎片, 在J₂项和太阳光压同时作用下, 当近地点指向的角 变率与太阳平黄经变化率接近时, 会出现长期共振现象, 导致轨道偏心率升 高, 近地点降低. 分析还得出, 轨道演化过程中, 偏心率的最大值与初始轨 道近地点的指向有关.      

Morphological and convective instabilities during solidifiation

The stability of the flow between two vertical, infinite, rigid, coaxial cylinders held at different temperatures is analyzed by linear stability theory. For a Prandtl number of 22.8 and a radius ratio of 0.02, the flow is unstable to an axisymmetric perturbation at a critical Grashof number of 2150; the wave speed of the instability is comparable to the maximum velocity of the unperturbed flow. When the rigid outer cylinder-fluid interface is replaced by a crystal-melt interface which can change shape, two new modes of instability occur at lower Grashof numbers. There is an asymmetric instability with a critical Grashof number of 180 and an axisymmetric instability with a critical Grashof number of 460; for both of these modes the wave speed of the instability is several orders of magnitude smaller than the unperturbed flow velocity.These calculations were motivated by and are in general agreement with our recent experiments on succinonitrile. A long vertical cylindrical sample of succinonitrile was heated by an electrical current through a coaxial vertical wire so that a vertical melt annulus formed between the coaxial heater and the surrounding crystal-melt interface. Above a critical Grashof number of circa 200, a helical crystal-melt interface formed which rotated steadily about the cylinder axis; the wave speed was several orders of magnitude less than the base flow velocity.     

流动应力计算对铝合金板材充液热成形性能影响

为研究流动应力计算对铝合金板材充液热成形性能的影响,进行了板材热态胀形试验,得到了不同直径的胀形高度-压力曲线。结合三坐标测量仪测得的胀形零件轮廓数据,拟合出了最小二乘圆（LSCF）半径,发现在高径比（h/a）范围（0.18 < h/a≤0.68）内,对应的曲率半径与圆形半径之间的圆形度误差为5%。为获取更为精确的应力-应变曲线,通过对现有曲率半径和厚度理论模型进行比较,结合流动应力计算,发现Hill及Panknin曲率半径模型的平均值及Kruglov-Hill厚度模型最符合试验数据。利用组合模型计算胀形试验所得到的胀形高度-压力曲线,得到了不同温度、不同压力率下的应力-应变曲线。结果表明,210℃时方向异性（轧制方向及垂直方向）对铝合金7075-O胀形件曲率半径的影响很小;同时,压力率可影响其应力-应变曲线。