U形竖管内超临界甲烷传热异常行为机理研究

针对航空发动机的空气预冷系统U形竖管超临界流体传热异常问题，对超临界压力甲烷U形竖管内传热行为进行了数值研究。探究了热流密度、质量流量和运行压力对换热的影响，从超临界甲烷管内温度、速度、流动状态及无量纲数变化出发，阐述了超临界甲烷在U形管内异常传热现象形成的机理。结果表明，在较高热流密度(95k W·m^-2)下，浮升力导致的自然对流是上升直管段内传热恶化的主要原因，运行压力的升高抑制了物性变化，促进了传热恶化向正常传热方向恢复。弯管段内的二次流使混合对流转变为强制对流，二次流形成的迪恩涡改善了径向温度分布不均匀性，强化了弯管段及其后续直管段的传热，且在弯管顶部位置传热的强化作用最为显著。     

新型自激扫掠喷嘴及其工作特性研究

针对涡轮、冲压发动机等空天动力装置对提高燃油雾化性能和油气掺混均匀度的迫切需求，提出一种内含扰流柱的新型自激扫掠喷嘴结构，能够实现0.5mm通径尺度下的自激发扫掠振荡液态燃料喷射。采用高速阴影成像、激光粒径测量等多种实验方法，研究了0.5mm特征尺度下，采用水和航空煤油介质时，新型自激扫掠喷嘴的质量流量、工作频率、扫掠张角、雾化粒径等参数随工作压降的响应变化情况。结果表明，此新型自激扫掠喷嘴在较宽的工作压力（0.05～5MPa）内均能够实现稳定的自激发扫掠振荡，产生50°以上的扫掠张角和1600Hz以上的振荡频率，且其扫掠张角和表征工作频率的斯特劳哈尔数St在较宽工作压力范围内保持恒定；与圆孔直射式喷嘴相比，其流量系数提高了12%，雾化能力实现了数量级的提升。本研究初步验证了新型自激扫掠喷嘴在空天动力装置典型应用环境和工况下的应用可行性。     

基于曲面主方向的正交系的非完整基理论及其在流体力学中的相关应用

本文将微分几何中光滑曲面上局部存在的基于主方向的正交系联系于张量分析中的非完整基理论,以此为曲面与其邻域上的张量场场论提供了一种新方法,称为基于曲面主方向的正交系的非完整基理论。这种场论方法,基于基面的沿主方向的参数坐标,然后沿基面的法方向进行空间延拓,以此获得基面邻域内的完整的正交系。对此引入非完整基理论,可得所有的非零Christoffel符号直接对应为基面或者当地曲面的主曲率或者测地曲率,因而张量场的各种微分算子相对于曲面的主方向与法方向展开,所得分量表达式仅含物理量与曲面曲率。由此不仅可以清晰地展现曲面几何特征与物理量/物理过程之间的关系,而且所获得的分量表达式形式上最为简单。另一方面,经典的诸如柱坐标系、球坐标系等正交系也隶属基于曲面主方向的正交系,从而本文方法可以统一相关正交系下的张量场场论。作为应用,本文推导了可变形曲面上涡量、涡量法向梯度与变形率张量的表达式,曲面上流体边界层方程的分量方程,曲面介质相关守恒律方程等。     

部分重力驱动的两相流体自然循环回路传热性能的数值仿真

针对部分重力辅助两相流体自然循环系统构建了数值仿真模型,对不同运控条件下的月面部分重力场(g/6)和地面常重力场(1g)的嫦娥三号月球车两相流体自然循环系统稳态性能进行了数值仿真研究。数值仿真结果表明,地面重力场模拟系统能够真实反映月面重力场应用系统的性能;对于月面部分重力场中的两相流体自然循环系统,随着系统压力的增加,绝大多数工况下系统阻力减小,但在环境温度较高时,系统特性参数对系统阻力存在双值现象,可能存在系统不稳定现象,引起系统波动,甚至传热恶化。     

流体动压密封设计

基于有限元Matlab软件平台对流体动压密封进行了计算机数值仿真分析与计算,研究了流体动压密封动环对数螺旋槽半径和螺旋角与流体动压密封开启力和泄漏量之间的关系,得出了流体动压密封设计准则;通过激光打标工艺试验得出了激光打标刻蚀对数螺旋槽的工艺规范,采用该工艺规范加工出的对数螺旋槽动环满足设计要求。流体动压密封介质运转试验结果表明:流体动压密封有限元Matlab计算机数值仿真分析与计算是合理的,流体动压密封设计和工艺规范是正确和有效的。     

载人航天器辐射器面板布局对散热能力的影响分析

以载人航天器广泛采用的圆筒辐射器为研究对象,建立辐射器散热能力数学分析模型,对比分析集中式和分块式面板布局形式给辐射器散热能力带来的影响,对比的参数包括管路长度、液体工质流量和管路入口液体工质温度。计算结果表明:在辐射器面板面积和管路长度相同的前提下,管路长度和面板分块数的变化,会造成2类辐射器散热能力的显著差异,管路长度越短,面板分块数越多,集中式布局辐射器比分块式布局辐射器的散热能力越强,最大散热能力差异达到16.0%,最小散热能力差异为13.5%。液体工质流量和管路入口液体工质温度,对2类辐射器散热能力的差异影响较小,不超过2.0%。因此,辐射器设计时不应忽略面板布局对散热能力的影响,应尽可能集中布置辐射器面板。     

基于燃气射流冷凝的氧路系统频率特性研究

基于热力学不平衡两流体六方程模型模拟了液氧煤油补燃循环发动机燃气射流在氧路系统泵间管路液氧流体中的冷凝过程，获得了燃气射流冷凝特征参数沿管路流向的分布规律。根据Rayleigh-Plesset方程和燃气射流特性建立了泵间管路燃气冷凝过程的传递函数模型，并与氧路管路、泵等组件模型联立求解，分析了发动机氧路系统频率特性。研究了在不同氧路入口压力和液氧温度边界条件下，泵间管路燃气射流冷凝过程对氧路系统频率特性的影响，仿真结果表明高入口压力和过冷液氧改变了射流气体的惯性和柔度，使得氧路系统特征频率增大。不同边界条件下发动机热试车结果表明，提高氧路入口压力或降低液氧温度使得氧路系统频率从8.3 Hz提高至11 Hz，与数值仿真结果一致，验证了泵间管燃气射流冷凝过程是影响氧路系统频率特性的重要环节。     

基于半导体可饱和吸收镜的耦合光电振荡器

针对微波光子射频系统对高质量的高重频光脉冲的迫切需求，提出和研究基于半导体可饱和吸收镜的耦合光电振荡器，利用饱和吸收效应有效抑制超模噪声，有效改善耦合光电振荡器中超模噪声带来的光脉冲抖动问题。对半导体可饱和吸收镜抑制噪声的机理进行理论分析，并搭建实验系统，实现重频为10.6 GHz的光脉冲产生，超模抑制比达到55.3 dB，相应射频信号的边模抑制比为79.7 dB，相位噪声为-108 dBc/Hz@10 kHz。该方案创新性地将半导体可饱和吸收镜引入耦合光电振荡器中，实现对超模噪声的抑制，并为系统的小型化和集成化提供了关键技术支撑。     

超流体氦-3的磁性图谱

氦-4和氦-3这两种物质在非常低的温度下都会变成超流体,不过,从量子力学的角度来看,同为超流体的这两种同位素差异巨大。通过磁相互作用,氦-3原子会结成对,在这个过程中产生超流性。正是这些磁特性决定了超流体的特性。科学家对极端条件下的这些超流体进行深入研究。在极低的温度条件下(不到绝对零度之上的千分之一度),在只有几百纳米粗(人一根头发的1/50到1/100)的超薄腔体中,将液体控制在压力之下。此时,氦-3原子(更准确地说是构成超流体的成对原子)的行为会受到这种一维运动的限制。尤其是     

复杂流体中Janus微马达自扩散泳特性的实验研究

Janus微纳马达在生物医学中作为药物输运的载体或在复杂工况中作为微纳机器人的动力部件具有广阔的应用前景。已有研究主要集中于Janus微纳马达在水溶液等简单流体中的运动，而对其在复杂流体中的运动机理及特性的研究仍非常缺乏。通过实验测量了直径2.06 μm的Janus球形微马达在高聚物聚氧化乙烯（PEO）溶液中的自扩散泳特性，实验结果系统描述了高聚物质量分数对Janus微马达自扩散泳速度、运动均方位移（MSD）及转动特性的影响。实验结果显示:高聚物的加入，不仅会影响溶液黏度，还会导致自驱动MSD在短时间段显示亚扩散特性，在推进段显示随高聚物质量分数改变的超扩散特性，甚至还会导致反常的微马达旋转加快现象。