上升气泡与塑料平板在纯水中的碰撞黏附行为

为了揭示气泡尺寸和表面疏水性对塑料浮选过程的影响规律,采用高速摄影技术观测上升气泡与塑料平板在纯水介质中的碰撞黏附行为。根据气泡速率的变化情况,将碰撞黏附行为细分为碰撞、液膜排液、三相接触线扩散等3个阶段,基于图像处理技术定量分析了气泡碰撞形变、黏附时间、三相接触线扩散特性及其影响因素。结果表明:变形因子随气泡直径的增大由略大于1.00逐渐演化为略小于1.00,疏水性强的塑料平板使相同直径气泡的变形因子更大,碰撞时间随气泡直径的增大而增加,随疏水性的增加而减小。塑料平板疏水性越强,形成三相接触所用时间越短,当气泡直径为1.0 mm时,聚四氟乙烯（PTFE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）平板的液膜排液时间均出现极小值,分别为4.8 ms和56 ms。三相接触线扩散时间随气泡直径的增大而增大,随塑料平板疏水性的增大而减小,在气泡直径大小相同时,三相接触线扩散直径随塑料平板疏水性的减小而减小。      

微重力池沸腾中的气泡行为实验研究

采用图像分析方法,对实践十号返回式科学实验卫星沸腾气泡实验项目获得的微重力单气泡过冷沸腾实验图像进行研究,提取并分析了微重力条件下单个气泡的生长过程.实验中观察到气泡激发形成、稳定黏附生长和滑移三个阶段,其中气泡稳定黏附生长又可分为底部扩张与回退两个子阶段.在气泡稳定黏附生长的底部扩张子阶段,气泡半径可以表示为时间的指数函数,时间指数从初期小气泡时的0.42减小到中期的0.28,最终趋于0.气泡尺寸在气泡底部收缩之初略有回调,随后再次缓慢增大,直到过冷液体完全侵入气泡底部,使气泡与加热面脱离,并在外界扰动作用下在加热面上滑移.相关数据可以作为沸腾现象中气泡热动力学分析的依据.     

变截面毛细通道中气泡的运动特性分析

为了确定复合材料成型过程中气泡的运动条件,利用变截面毛细模拟通道实验系统,研究了气泡在变截面毛细管中的运动行为,分析了气泡长度、毛细管半径及液体种类对气泡垂直穿出行为的影响,并从理论角度推导出气泡穿出的临界压力方程.研究结果表明,气泡垂直穿出变截面毛细通道所需要的临界压力差,随气泡长度和毛细管半径的增大而减小,液体种类对其也有明显影响,实验结果与理论计算值基本吻合.该研究结果将为复合材料成型中工艺参数的优化提供实验依据.      

不同通道中气泡的形态变化及运动条件分析

孔隙是影响复合材料性能的主要因素之一,为了消除孔隙,提高产品质量,对复合材料成型过程中气泡运动特性的研究是十分必要的.利用预浸料片层模拟系统,考察了气泡在不同运动通道中穿出的形态变化过程;分析了外加压力、树脂粘度、气泡大小、网格面积等因素对气泡穿出行为的影响;同时提出了气泡穿出的约束条件.研究结果表明,随着树脂粘度的增加,气泡体积和空隙面积的减少,气泡穿出所需的临界压力将逐渐增大.该研究结果将为热压成型过程中气泡运动模型的建立提供实验依据.      

微重力池沸腾传热研究

对利用中国返回式卫星搭载开展的两次微重力池沸腾空间实验及地基常重力和落塔短时微重力实验的结果进行了评述. 研究发现微重力时丝状加热器沸腾传热会略有强化, 而平板加热器则在高热流条件下明显恶化. 微重力时, 气泡脱落前存在沿加热面的横向运动, 加剧了相邻气泡间的合并, 合并气泡会在其表面振荡作用下从加热面脱落. Marangoni 效应对于微重力气泡行为有重要影响.     

微重力下加热面尺寸对气泡动力学行为的影响

为揭示微重力环境下加热表面尺寸对气泡动力学行为的影响,通过对比实验研究了不同热流密度条件下两种尺寸芯片表面核态沸腾过程中气泡的动力学行为.结果表明,低热流密度时两种尺寸芯片表面均能维持典型的孤立气泡沸腾,气泡生长合并过程缓慢,仅大芯片表面气泡脱落,并且体积达到小芯片气泡的3.4倍.两芯片在中等热流密度下均呈稳定的核态沸腾,气泡生长合并加速、脱离频率升高.大芯片表面气泡脱离次数明显高于小芯片,脱离气泡产生的尾流效应减小了后续气泡的脱离直径,进而有效抑制了气泡底部干斑的形成.高热流密度时,小芯片处于膜态沸腾状态,沸腾换热显著恶化;而大芯片表面仍能维较持稳定的核态沸腾.因此,增大芯片尺寸能有效促进气泡脱离,提高临界热流密度.继续升高大芯片热流至临界热流密度之上,虽然进入膜态沸腾换热状态,但是气泡无法完全覆盖芯片表面且可缓慢滑移,从而缓和了芯片温度上升速率.     

不同重力条件下单气泡池沸腾现象的数值研究

对不同重力条件下常压饱和水中单气泡池沸腾现象的气泡生长过程及传热特性进行了数值模拟. 采用简化的润滑流模型计算生长气泡底部微液膜的贡献, 而其他宏观区域的气液两相介质则用连续界面模型统一处理. 气液界面形状和加热面上接触线的运动分别采用Level Set方法和固定的表观接触角来近似刻画. 计算结果表明, 气泡生长过程中, 当量直径近似与生长时间的1/3～1/2次方成正比, 重力对相关趋势的影响不大, 但强烈影响着气泡脱落直径和生长时间, 其中脱落直径反比于重力的1/3次方, 生长时间反比于重力的4/5次方. 在固定的核化点数密度条件下, 加热面平均热流密度近似与壁面过热度的3/2次方成正比, 该趋势并不随重力的减弱而改变.     

微重力池沸腾中的气泡和传热行为数值模拟

基于标准动量传输方程、连续性方程以及能量方程,建立了单个气泡的二维数值模型,考察了微重力过冷核态池内沸腾中的气泡动力学和传热行为.在动量传输方程中耦合了表面张力和Marangoni力,连续性方程和能量方程中耦合了相变效应,考虑了加热面上过热液体层的影响,并引入相场函数捕捉气液界面的动态变化.结果表明：气泡在生长过程中,形状由最初的半球形变为椭球形,最后变为脱附时的梨形;气泡在加热面上自由迁移,呈非轴对称结构,并且气泡上部的温度场呈现为蘑菇云状;气泡的脱附直径正比于g^-0.488,脱附周期正比于g^-1.113,加热面上的平均热通量正比于g^0.229.     

考虑相互碰撞影响的月壤颗粒运动轨迹计算方法研究

针对登月着陆器下降过程扬起月壤颗粒的运动轨迹及空间分布问题, 提出了考虑月壤颗粒发生完全弹性碰撞和非完全弹性碰撞两种情况的月壤颗粒运动轨迹计算方法. 根据质量守恒和能量守恒定律确定月壤颗粒相互碰撞后的速度, 通过羽流场与月壤颗粒的流固耦合相互迭代计算方法, 获得被扬起的月壤颗粒在羽流场和相互碰撞共同作用下随时间的运动轨迹和空间分布. 基于美国Apollo 11登月过程实测数据, 采用数值模拟对该方法进行验证. 结果表明, 考虑月壤颗粒相互碰撞的影响后, 其运动规律出现较明显的扩散趋势. 进一步考虑月壤颗粒相互碰撞引起能量损失的影响后, 月壤颗粒的扩散趋势有所减弱, 并且扬起的高度随着恢复系数的减小而降低.     

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.     

颗粒射流冲击材料行为研究

颗粒冲击材料现象广泛存在于自然界以及工业领域中。应用实验测量与数值计算相结合的方法研究了颗粒射流冲击材料(304不锈钢)的磨损行为。考虑了颗粒粒径、运动轨迹、颗粒-壁面撞击点分布以及所导致材料物相结构变化。实验测试包括材料质量损耗、材料元素X射线衍射(XRD)分析、表面微观结构扫描电镜(SEM)观察。对相应的颗粒射流冲击材料行为进行了数值计算,获得流场,颗粒场以及相应材料磨损。结果表明:颗粒射流冲击下颗粒运动轨迹与撞击点的分布不同,造成了材料样品表面磨损区域明显不同。颗粒-壁面碰撞不仅会导致材料损失而且会造成材料物相结构的变化。     

Q345钢两相流冲蚀实验研究

冲蚀磨损广泛存在于民用、工业、军工等领域中，常导致设备受颗粒撞击形成不同程度的损伤。选用Q345钢开展液固两相流冲蚀实验，基于失重法和表面分析技术研究颗粒粒径、颗粒质量分数、冲蚀角度（15°～90°）、冲蚀时间等因素对冲蚀磨损的影响，并对冲蚀后的样品表面形貌特征进行分区。实验结果表明：随颗粒质量分数增大，冲蚀失重量上升的速率逐渐趋于平缓；3D形貌观测发现，颗粒质量分数高于0.1%后，材料表面全部受到了侵蚀，最大冲蚀深度降低；30°冲蚀角度附近Q345钢的质量损失最大，这与其较强的韧塑性有关。基于金相显微拍照分析，90°射流冲击后样品表面分成3个区域，靠近喷嘴外边缘的2区内坑洞和犁沟数量最多，损伤最为严重，这与射流流场特性和颗粒分布有关。     

Galactic cosmic rays and cell-hit frequencies outside the magnetosphere.

An evaluation of the exposure of space travelers to galactic cosmic radiation outside the earth's magnetosphere is made by calculating fluences of high-energy primary and secondary particles with various charges traversing a sphere of area 100 microns2. Calculations relating to two shielding configurations are presented: the center of a spherical aluminum shell of thickness 1 g/cm2, and the center of a 4 g/cm2 thick aluminum spherical shell within which there is a 30 g/cm2 diameter spherical water phantom with the point of interest 5 g/cm2 from the surface. The area of 100 microns2 was chosen to simulate the nucleus of a cell in the body. The frequencies as a function of charge component in both shielding configurations reflects the odd-even disparity of the incident particle abundances. For a three-year mission, 33% of the cells in the more heavily shielded configuration would be hit by at least one particle with Z greater than 10. Six percent would be hit by at least two such particles. This emphasizes the importance of studying single high-Z particle effects both on cells which might be "at risk" for cancer induction and on critical neural cells or networks which might be vulnerable to inactivation by heavy charged particle tracks. Synergistic effects with the more numerous high-energy protons and helium ions cannot be ruled out. In terms of more conventional radiation risk assessment, the dose equivalent decreased by a factor of 2.85 from free space to that in the more heavily shielded configuration. Roughly half of this was due to the decrease in energy deposition (absorbed dose) and half to the decrease in biological effectiveness (quality factor).     

近距离DPIV粒子成像分析

在PIV(Particle Image Velocimetry)近距离拍摄中,通过对在非傍轴成像条件下薄透镜成像公式的推导,求得粒子图像成像点的近似解析解,对粒子图像的成像位置在PIV图像计算中的影响作了讨论;同时也对已知直径粒子进行了试验拍摄,将试验所得的数据与理论推导的结果进行了比较,对在近距离拍摄中光圈对粒子成像的影响给出了定量分析.      

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。      

Collisions in space: A retrospective overview of ISAS studies

A chronological review of studies in ISAS concerning collisions in space is presented. The collision probability in space with artificial orbiting bodies was estimated, and a Space Traffic Control System was proposed, in 1971. The design of a space station for safety against collision hazards was discussed in 1972. A trajectory optimization technique for low-thrust multiple rendezvous mission in order ti sweep space debris around the earth was developed in 1977. In 1984, the collision probability was reestimated using space bedris data accumulated for more than a decade. Several experimental projects in ISAS, such as hypervelocity impact experiments using a railgun system, sampling and measuring of alumina particles in exhaust plume of solid-propellant propellant rocket motors, and a result of analysis on the behavior of such alumina particles in orbit are also introduced.