电场影响铁磁流体摩擦系数的试验研究

通过试验研究了处于边界润滑状态下钢-钢摩擦副在铁磁流体及加有添加剂的铁磁流体中的摩擦特性,特别是在电场作用下摩擦系数的变化情况.在销-盘试验机上进行的试验表明:加有添加剂的铁磁流体在不同方向的直流电流作用下,其摩擦系数变化的幅度最大可达到23％.因此得到了一种在边界润滑状态下摩擦系数可控的新型润滑介质.这样就可能通过外加电场的手段实现摩擦系数的主动控制,达到减摩、节能的目的.      

均匀磁场中铁磁流体润滑的平板滑块的性能

计算结果表明,铁磁流体润滑的平板滑块的性能与牛顿流体或Bingham塑料润滑的平板的性能显著不同.屈服应力引起粘附核的发生,并且增加滑块的承载能力.在低速润滑中,高磁场强度对承载能力是有好处的,因为它可以提高铁磁流体的粘度和在润滑膜中引起粘附核.当出现粘附核时,铁磁流体润滑的平板滑块的最佳膜厚比的值大于2.2,并随外磁场强度增加而增大.在高速润滑中,可能没有粘附核出现,在此情况下,为了得到最大承载能力而采用膜厚比的值为2.2是可取的.在高磁场强度或高剪切速率下,铁磁流体润滑的平板滑块的摩擦系数增大.      

铁磁流体润滑中的非牛顿流影响

利用外加磁场可以直接调节铁磁流体润滑膜的承载能力,因为在外磁场中铁磁流体的粘度增大. 实验研究表明,铁磁流体是一种非牛顿流体,它同时表现出Bingham塑性体和拟塑性体的特性. 铁磁流体的非牛顿流体行为受外磁场强度和方向的影响. 铁磁流体的本构方程可以表示为 τ(H,D)=τs(H)+η₁(H)D+η₂(H)D2.由于铁磁流体具有屈服剪应力τs(H),而可能出现"固态"核粘附于轴承表面上.铁磁流体的拟塑性体行为对核的生成条件有影响.在铁磁流体润滑的轴承中,纯剪切流截面C₀不同于普通Bingham塑性体润滑的轴承.作为一个实际的例子而给出铁磁流体润滑平板滑块的承载能力和摩擦力的解.      

一种预估反作用飞轮过零寿命的计算方法

对反作用飞轮轴承组件的边界润滑状态、疲劳寿命进行了理论分析,并对边界润滑的摩擦模型进行了一定简化,采用Archard磨损理论建立了磨损率与疲劳寿命的关系.根据边界润滑状态和弹流润滑状态的对比分析,建立了反作用飞轮在过零状态下的过零寿命的计算公式,可定量估算反作用飞轮的过零寿命.     

铁磁流体润滑的轴颈轴承研究

对一种铁磁流体润滑的三垫浅腔轴颈轴承进行了研究。轴承两端具有铁磁流体密封。三块瓦中有一块是可变形的弹性瓦。使用Reynolds方程和弹性瓦变形的关系式,得到了轴承的理论特性。对理论计算和实验结果作了比较,两者令人满意地符合。研究结果表明,铁磁流体轴承比普通滑动轴承具有一些优点。它们在运转中没有端泄和不需要任何供应系统,所以它们与滚动轴承一样地简单。可以变形的弹性瓦使得轴承具有更好的性能并且拓宽了它的工业应用。     

直管式科氏质量流量计对脉动流响应的研究

弹性测量管的振动特性决定了科氏质量流量计的测量精度.以直管科氏质量流量计为例,初步分析研究了流体脉动对其测量管振动特性的影响.建立了被测流体脉动时测量管振动的数学模型;采用Galerkin法对模型进行了处理,将模型转化为受外激励和参数激励联合作用的有耦合多自由度振动问题;用多尺度法对其进行了分析,给出了脉动流作用下科氏质量流量计测量管振动的主要频率成分,揭示了脉动流作用的机理.所得到的大部分结论与有关文献的实验结果吻合.     

混合润滑下弧齿锥齿轮啮合路径对传动#br# 及接触特性的影响#br#

为研究弧齿锥齿轮真实润滑状态下不同啮合路径对其传动误差、接触应力及摩擦力的影响，结合混合润滑分析方法，研究弧齿锥齿啮合过程中齿面摩擦系数的演变，并与传统经验公式进行了对比.在此基础上，建立考虑混合润滑摩擦与安装位置参数的弧齿锥齿传动接触模型，研究啮合路径对弧齿锥齿动态传动误差与接触压力的影响，进一步系统分析了不同啮合路径下弧齿锥齿齿面的摩擦力变化及趋势.研究表明：在弧齿锥齿啮入到啮出的过程中，齿面混合润滑摩擦系数呈现先增大后减小的趋势，且传统经验公式对弧齿锥齿轮节锥母线附近的摩擦系数预测误差较大；在一定程度上齿面摩擦会导致接触压力的上升，且中部接触时弧齿锥齿传动误差优于大端接触和小端接触；受轴向分力变化的影响，齿面摩擦力与摩擦系数变化规律差异较大，在啮入到啮出过程中，齿面摩擦力出现两个峰值，在节点附近会呈现减小趋势.     

一种新型组合密封系统的实验研究

 介绍了一种新型组合密封系统——气体螺旋槽与铁磁流体组合密封型式.在分别对这两种密封型式研究基础上,进行了组合密封实验.实验表明,这种密封型式可以达到从零速到设计转速整个范围内均具有所需要的密封能力.在高速旋转密封时,螺旋槽有效地抑制了铁磁流体的飞溅,并在铁磁流体破裂时,使其迅速恢复密封能力.所以该组合密封具有无污染、高可靠性等特点.同时指出,通过调节这两种密封型式的结构设计参数,可以满足不同的密封要求.这些性质是其它非接触式密封所做不到的.     

磁层电场仪前端信号处理电路研究

针对磁层稀薄等离子体环境中的电场测量,设计了一种电场仪前端信号处理电路方案.双探针电场仪通过向等离子体输出驱动电流,测量两探针间的电位差,从而测量空间电场的探测仪器.在磁层稀薄等离子体环境下,等离子体阻抗较高,电场仪探针将工作在较高的工作电压上.若探针电压接近或超过电路耐压值,则可能会影响探测结果,甚至损坏电场仪.本文结合低偏置电流的电压跟随方案和反馈悬浮电源控制方案,解决了稀薄等离子体环境中电场测量的弱电流采样和高动态电位处理问题,并采用低噪声元件和特殊电路设计,控制电路噪声.测试结果显示,本方案可使探针适应±100V的悬浮电位,实现150kHz带宽的电场信号测量,且噪声小于14nV·mHz-1/2,满足目前空间电场仪测量精度需求.      

底凹结构减阻效应数值分析

为研究弹丸底凹结构的减阻机理,使用三维定常CFD方法对M910弹丸的流场特性进行了数值模拟。给出了零升阻力系数随马赫数的变化规律,所得结果与实验数据符合很好。在此基础上,为M910弹丸引入底凹结构并进行数值模拟。对比了不同弹底结构的底部流场特性,对底凹结构减阻效应的产生机理进行了分析。结果表明:亚声速下,底凹结构在底凹腔体内引入了高压“死水区”,并以“屈从”的流体边界代替了原固体底面,从而改变了尾部涡街的形成位置、形状和强度,最终增大底部压力,减小弹丸阻力;跨声速下,由于尾部涡街远离弹丸底面,固体底面与流体边界面的作用相同,使得底凹不再具有减阻效果;超声速下,底凹结构的减阻机理与底排弹丸减阻机理类似,即底凹结构中的流体为弹丸底部回流区添加质量从而达到减阻作用。      

基于Transition SST模型的高雷诺数圆柱绕流数值研究

为了研究高雷诺数下圆柱绕流边界层的转捩现象和圆柱尾迹近壁区的流动特征,首先通过在典型雷诺数下采用Transition SST四方程转捩模型模拟圆柱绕流得到的结果与实验结果及采用SST k-ω两方程湍流模型模拟结果的对比分析,验证了Transition SST模型在模拟高雷诺数下圆柱绕流的优越性,并较为准确地预测出了圆柱绕流边界层的转捩现象及尾迹近壁区的流动特征。然后分别对亚临界区、临界区、超临界区和过临界区的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构及圆柱表面压力系数、摩擦力系数的变化规律,研究了圆柱绕流近壁区的流动特征、边界层转捩的流动机理、转捩位置及其随雷诺数的变化规律。结果表明,亚临界区二维圆柱绕流边界层发生层流分离,无分离泡和转捩现象;临界区和超临界区二维圆柱绕流边界层先产生了分离泡现象,之后流动发生了转捩并在转捩后发生湍流分离;过临界区二维圆柱绕流边界层流动在转捩之后发生湍流分离,无分离泡现象;在临界区、超临界区和过临界区,二维圆柱绕流边界层转捩位置随雷诺数增大向前驻点移动。     

一种自冷却结构燃油泵滑动轴承润滑特性分析

为研究低介质黏度和自冷却结构限制下的航空燃油泵滑动轴承润滑特性分布规律,基于油膜动压润滑流动的Reynolds方程和等效黏度润滑流动模型,以绝热流动为假设简化滑动轴承内部流动的能量积分方程,构建一种联合Reynolds方程和绝热流动能量积分方程的燃油泵滑动轴承热流动润滑流动模型。采用CFD数值模拟和有限差分法相结合的混合仿真方法,分别对不同的间隙比、偏心率、宽径比条件下的滑动轴承的油膜压力、油膜厚度、油膜温度、端泄漏量、摩擦阻力等润滑特性进行了仿真分析。仿真结果表明:采用CFD计算滑动轴承径向载荷精度优于4.0%;保持偏心率不变,油膜承载力随着间隙比的增加而单调下降,油膜厚度随着间隙比的增高而增加;保持间隙比不变,油膜的承载力随着偏心率的增大也逐渐增大,油膜厚度随着偏心率的增高而下降,而油膜温度与油膜厚度成反比,且随着偏心率的升高,油膜温度的峰值越来越明显;当偏心率、间隙比一定时,可通过增加宽径比提高滑动轴承的油膜承载力。因此在滑动轴承的设计中,需综合考虑油膜承载力、端泄漏量、油膜厚度和温升间的相互制约因素,合理地优化间隙比、宽径比和偏心率以提高滑动轴承润滑性能。      

基于有限元方法的场磨式电场传感器标定装置优化设计

场磨式电场传感器常被用来测量特高压直流(HVDC)输电线路下地面合成电场强度.传统对其标定的方法存在标定装置体积较大、户外标定移动不方便的缺点.针对此问题研究了一种应用于特高压直流输电线路下地面合成电场测量的电场传感器便携式缩尺标定装置.基于有限元方法建立了传感器的三维电场模型,基于该模型对便携式标定装置的尺寸、结构等关键参数做出了模拟分析,在此基础上进行了便携式标定装置的结构参数的优化设计.将便携式缩尺标定装置与标准的标定装置进行了实验比较.仿真及实验结果表明该标定装置能够方便、准确地对场磨式电场传感器进行标定.      

合成射流控制鼓包分离流动的数值模拟

为了研究合成射流控制鼓包背风面分离流动的效果,采用商用流体力学软件FLUENT^® 6.3求解Reynolds平均Navier-Stokes方程,通过分析鼓包壁面摩擦力系数分布、旋涡脱落结构以及射流孔口附近流动结构,揭示了合成射流对分离点不固定的流动分离的控制机理.结果表明:在分离点前施加合成射流可有效缩小回流区范围,涡脱落被施加的激励"锁定",涡脱落的频率等于合成射流的频率.此外,在本研究所考虑的情况下,动量系数越大,控制效果越好.从时均效果看,当施加最大吹气动量系数为0.369 1%的合成射流时,分离泡长度减小了11%.     

一种跨声速定常流场求解加速方法

跨声速定常流场的隐式求解相当于使用牛顿迭代法求解一个非线性方程组。为满足牛顿迭代收敛性的要求,通常需要对所求解问题进行全局化处理。在同伦延拓的框架内,提出了一种基于拉普拉斯算子的方程延拓方法,提高了定常流场隐式求解收敛速度。针对定常流场通常初始化为均匀来流的特点,一方面利用拉普拉斯算子的椭圆性加快边界条件信息向流场内部的传播,另一方面利用拉普拉斯算子的线性和正定性改善延拓问题的正则性,综合两者增加拟牛顿算法的稳定性,提高可用CFL数,最终达到提高流场求解效率的目的。由于流场问题的复杂性和非线性,难以通过理论分析得出先验的最优非线性求解策略。因此,通过无黏NACA0012翼型、湍流RAE2822翼型和三维ONERA M6机翼等算例的数值实验,研究了拉普拉斯项参数对收敛效率的影响,给出了效率较优的参数组合,验证了本文方法在跨声速情况下相对于经典伪时间推进法可以节约20%以上的CPU计算时间。      

Taylor-Couette流的DSMC数值模拟

使用圆柱坐标系网格的三维DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)模型,对同轴圆柱间Taylor-Couette流中Taylor涡的形成进行了数值模拟,并分析了不同计算域和边界条件下稳定流场中Taylor涡的轴向排列结构.在网格设置和流场参数不变的情况下,使用轴对称DSMC模型对Taylor涡进行数值模拟,所得Taylor涡的稳定过程与三维结果一致,验证了使用三维DSMC方法来解决微尺度低速的稀薄气流问题的可行性.三维模拟结果表明Taylor涡以较大的圆周速度绕轴旋转,二维模拟则无法体现.对不同的内圆柱旋转速度进行数值模拟,确定了能够产生Taylor涡的临界速度值.     

青海省柴达木盆地大气电场随高度的变化特征

大气电场强度是大气电学的重要参数.大气电场的准确测量及其时空特性对研究空间天气活动、气象活动以及大型地质活动具有重要意义.2019年8月26日和28日，中国科学院鸿鹄专项团队在青海省海西蒙古自治州大柴旦镇地区放飞搭载模式电场仪的探空气球，测量了不同高度的大气电场强度.利用互相关函数法和主成分分析法研究了此次气球实验得到的电场数据.结果表明，尽管通常情况下决定大气垂直电场大小的主要因素是高度，但是该地区风场对大气电场强度的影响也比较显著.晴天大气条件下，有无薄云的存在对大气电场测量存在一定影响，有云条件下，风速会通过影响云的形成间接影响到大气电场.此外，柴达木盆地存在一个易受下垫面影响的大气电场边界层，分析表明这个边界层厚度在3km以上.对边界层大气电场变化以及晴天无云时3600m以上的大气电场分布进行了分析和拟合.      

超声能对铝合金搅拌摩擦焊焊缝成型的影响

为了探究超声能对铝合金搅拌摩擦焊（FSW）焊缝成型及焊缝缺陷的影响机理，采用数值模拟和试验验证相结合的方法，设计了同等工艺条件下的超声辅助搅拌摩擦焊（UAFSW）与搅拌摩擦焊的流场仿真和试验对比。通过分析2种焊缝横截面上热塑性金属的流动矢量和金相组织，研究了超声能导入后焊缝热塑性金属的流动变化情况。分析结果表明:超声能导入，使铝合金搅拌摩擦焊焊缝内金属的水平绕流方式演变成倾斜绕流方式，并使上下2个独立流场实现交汇统一，而且使焊缝金属最低流速提升近一个数量级，焊缝成型完整度明显增强，焊缝缺陷率大幅降低。