高超声速三维化学非平衡流动的数值模拟

高温非平衡化学反应对高超声速再入飞行器绕流流场的气动热特性有较大影响.通过采用有限体积NND(Non-oscillatory, containing No free parameters and Dissipative scheme)格式求解三维N-S方程,分别计算了小攻角条件下球锥的完全气体粘性流场和化学反应非平衡气体流场.比较并分析了化学非平衡作用对三维高超声速钝头体绕流流场的影响.所得结果与国外文献结果符合的较好,证明了计算方法与程序的有效性和实用性.      

湍流燃烧反应机理的简化

采用速率敏感度分析法分别对燃料为CO/H2和CH3OH的钝体绕流湍流扩散火焰的燃烧机理进行了简化.判断出了冗余组分,并通过对敏感度矩阵F的主成分分析,找出了次要反应,使原始的复杂湍流燃烧机理得到了大幅度的简化.简化机理与详细机理的计算结果吻合得很好.结果表明,速率敏感度分析的方法能大大简化复杂的湍流反应机理,且计算效率高,精度满足要求.     

用GAO-YONG湍流模式对分离流动的数值模拟

采用GAO-YONG湍流模式对二维管道内三角形钝体绕流问题以及槽道内后台阶分离流动进行了数值模拟.求解程序基于开源数值计算平台OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation),数值模拟结果很好地预测了钝体绕流问题中漩涡脱落的尾流的流动趋势以及后台阶流动中分离再附的流动结构,同时分析了速度分布以及摩擦系数等参数并与实验值进行了对比,结果符合很好.这表明GAO-YONG湍流模式对大分离流动有较好的预测能力,对工程实践具有指导性作用.     

用GAO-YONG湍流模式对分离流动的数值模拟

采用GAO-YONG湍流模式对二维管道内三角形钝体绕流问题以及槽道内后台阶分离流动进行了数值模拟.求解程序基于开源数值计算平台OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation),数值模拟结果很好地预测了钝体绕流问题中漩涡脱落的尾流的流动趋势以及后台阶流动中分离再附的流动结构,同时分析了速度分布以及摩擦系数等参数并与实验值进行了对比,结果符合很好.这表明GAO-YONG湍流模式对大分离流动有较好的预测能力,对工程实践具有指导性作用.     

绕AOTV高超音速流场的数值计算

本文采用实质上为二阶精度的隐式无波动、无自由参数耗散(NND)差分格式结合Steger-Warming矢通量分裂方法求解N-S方程,对AOTV外型的高超音速绕流进行了模拟。在计算中,对脱体激波采用了捕获法。作为验证,首先计算了二维圆柱绕流,并同文献[1]的数据进行了比较,取得了满意的结果,算例的计算结果还表明,采用本文的方法对激波的模拟具有较高的分辨能力。     

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.      

高超音速双锥绕流数值模拟的格式效应分析

通过模拟双锥外形高超音速绕流,对各种计算流体力学空间离散格式的性能进行分析.研究了Roe格式、van Leer格式、AUSM(Advection Up-stream Splitting Method)格式、AUSMDV格式、AUSM+格式、上风TVD(Total Variation Diminishing)格式等对双锥高超音速流场特征的模拟能力.结果表明:各空间格式激波分辨率都较高,但粘性分辨率相差很大.其特性与格式耗散性有关,耗散性越小,粘性分辨率越高;格式耗散性对热流极值影响显著,耗散性越小,热流极值越大,其位置越靠近前缘.      

水下弹体空化流动的数值模拟

采用均质流模型对水下弹体的空化流动进行了数值模拟,控制方程的求解采用有限体积法,对流项采用迎风通量差分格式,时间步的推进则采用了LU-SGS隐式方法.使用质量传输模型模拟汽-液之间的质量转换.为了更好的计算低速流动,在计算中对对流项进行了预处理,并对质量传输源项进行了点隐式处理.对绕圆柱钝头体空化流动进行了模拟,雷诺数Re＝136 000,计算得到了圆柱形钝头体在空化数σ＝0.1,0.2,0.3时的壁面压力系数,并与试验结果进行了对比,符合良好.在此基础上研究了弹体带尾迹的超空化现象,空化数σ＝0.2,0.1,0.06,在σ＝0.06下得到了水下弹体的超空化尾迹.      

高超声速气动热数值计算壁面网格准则

首先对高超声速气动热数值模拟中的3种壁面法向网格准则(平均自由程(MFP)、自由来流参数网格雷诺数和壁面参数网格雷诺数准则)进行了分析.随后,提出了壁面参数预估方法,使得壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则无需进行试算即可直接预估壁面法向网格尺度.其次,运用提出的壁面参数预估方法结合不同网格准则,在同一实验条件下确定多个壁面法向网格尺度,通过与实验数据对比研究各网格准则确定的壁面法向网格尺度是否满足热环境模拟精度要求,并对提出的壁面参数预估方法进行验证.最后,开展了高超声速二维完全气体及真实气体效应算例、三维钝双锥算例的数值模拟.研究表明,壁面参数预估方法是可靠的;自由来流参数网格雷诺数准则随来流静温变化所确定的网格尺度变化趋势与物理推理相悖;基于壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则主要受壁面温度影响,其在同一条件下所确定的网格尺度基本一致,并满足热环境模拟的精度要求.      

绕大钝头短体外形跨音速大迎角湍流流动计算

采用数值模拟求解N-S方程方法计算与分析了绕大钝头短体外形的跨音速大迎角时的湍流流动.数值方法中选用Van Leer 分裂格式离散无粘通量项,并构造了一种Limiter函数以保证TVD(Total Variation Diminishing)性质,采用中心差分格式来离散粘性通量项.计算中采用了B-L湍流模型.算例定性地表明绕流的三维分离具有准周期性的非定常特性.     

铝锂合金的内耗研究

研究了铝锂二元和五元合金的内耗。采用倒扭摆法,测定了不同热处理和时效状态的铝锂合金在升温和降温过程中的内耗和剪切模量。测量频率为0.3～5.0Hz。观测到了铝锂二元和五元合金中各自不同的内耗峰(即晶界内耗峰,Ke Peak)。实验表明,与纯铝和传统的铝合金相比,铝锂合金葛峰的峰高值比较低,并且对应葛峰的温度较低。根据晶界粘滞性滑动模型,上述实验结果可以归因于溶质原子Li及其沉淀相δ′(Al_3Li)和δ(AlLi)对晶界滑动的阻尼。本文对铝锂合金在不同热处理状态下的显微组织结构进行了透射电镜TEM观察。     

Crystallization of germanium-silicon solid solution from the vapour phase in microgravity conditions

Mass transport has been investigated in the closed system Ge-Si-Br used for preparing germanium-silicon solid solution crystals by chemical transport reaction method in space. It has been shown that the experimental rate of mass transport may be analytically described in proposing a pure diffusion mechanism. In space, growth of needles and whiskers occured without practically formation of a polycrystalline layer characteristic of on-earth experiments.     

Laboratory experiments in the study of the chemistry of the outer planets.

The investigation of chemical evolution of bodies in our solar system has, in the past, included observations, theoretical modeling, and laboratory simulations. Of these programs, the last one has been the most criticized due to the inherent difficulties in accurately recreating alien environments in the laboratory. Processes such as wall reactions and changes in chemistry due to difficulties in achieving realistic conditions of temperature, pressure, composition, and energy flux may yield results which are not truly representative of the systems being modeled. However, many laboratory studies have been done which have yielded data useful in planetary science. Gross simulations of atmospheric chemistry have placed constraints on the nature of complex molecules expected in planetary atmospheres. More precise studies of specific chemical processes have provided information about the sources and properties of product gases and aerosols. Determinations of basic properties such as spectral features and reaction rate constants yield data useful in the interpretation of observations and in computational modeling. Alone, and in conjunction with modeling, laboratory experiments will continue to be used to further our understanding of the outer solar system, and some experiments that need to be done are listed.     

利用热力学与统计物理方法研究电离层E层的形成

将太阳光子作为反应物引入电离层化学反应中, 运用化学热力学方法, 获得低电离层光化学反应的反应度及其化学平衡常数, 进而得到低电离层的电子密度, 并通过统计物理方法推导出相应的化学平衡常数. 结果显示, 运用热力学方法得到的低电离层电子密度与Chapman理论几乎完全一致, 表明利用热力学方法研究电离层的形成是可行的. 分别用热力学方法和统计物理方法得到的平衡常数之间存在一定的差异, 分析表明, 这是因为光化学过程中并非所有光子能量都转化成了电离能, 其中有一部分能量转化为热能或使粒子处于激发态, 这种差异的存在使利用统计物理方法推导电离层等离子体温度成为可能.      

中层大气钠层的流星蒸发模式

本文计算了地球中层大气的钠层模式。在此模式中,流星蒸发是形成钠层的源而尘埃的吸附足汇。本文考虑和比较了有关钠层形成机制的已往工作中所出现过的所有光化学反应,选出了四十个合理而重要的化学反应作为本模式的化学基础。模式也考虑进了高度变化的涡流扩散和带电粒子受地磁场作用的向下飘移等机制。本文对各化学反应和模式中各个因素的重要性作了比较和评价。本文计算结果表明,在各高度上中层大气中的钠及其化合物的相对浓度主要取决于化学反应过程本身,与源、汇及各层间扩散机制等关系不大。虽然在钠层模式计算中必须考虑到十种钠成分,但105公里以上主要成分足钠离子(Na+)。80公里以下主要成分是氢氧化钠(NaOH)。80公里到105公里间主要成分是中性钠原子(Na)。所有成分的总浓度主要地取决于源和汇随高度的分布。大气背景及电离常数的变化可以引起钠层相当显著的季变化和周日变化。理论计算结果与历年来的观测结果作比较后可以看到两者大体上符合得相当好。      

环氧树脂辐射固化反应速率及速率常数的研究

研究了环氧树脂溶液的电子束辐射固化反应速率常数以及树脂特性对反应速率的影响.研究结果显示,辐射反应增长速率常数k_p和终止速率常数k_t在反应进行的不同阶段表现出不同的控制机制.环氧树脂的分子量及其分布,分子化学结构对辐射反应速率都有很大影响,反应速率大的树脂体系最终达到的反应程度也高.     

化学物质释放人工改变电离层

考虑中性气体在电离层高度的扩散过程和相应的电离层离子化学过程，研究了利用主动化学物质释放来改变电离层的方法，理论计算了H2O和SF6两种气体释放后电离层随时间的响应过程，结果表明，在电离层高度上气体的扩散过程非常迅速，电离层F区的电子密度有很大程度的减少，而扩散慢且化学反应快的气体对电离层的影响更大，就更加有利于电离层洞的形成。     

我国九个球粒陨石化学组成的研究

在球粒陨石化学组成的研究中,经过试验我们建立了测定各化学元素的分析流程,测定了九个球粒陨石样品中各元素的含量,根据测定结果论证了它们各自所属的化学群、氧化还原趋势以及某些共同特征。     

Chemical evolution of RNA under hydrothermal conditions and the role of thermal copolymers of amino acids for the prebiotic degradation and formation of RNA.

The roles of thermal copolymers of amino acids (TCAA) were studied for the prebiotic degradation of RNA. A weak catalytic ability of TCAA consisted of Glu, L-Ala, L-Val, L-Glu, L-Asp, and optionally L-His was detected for the cleavage of the ribose phosphodiester bond of a tetranucleotide (5'-dCrCdGdG) in aqueous solution at 80 degees C. The rate constants of the disappearance of 5'-dCrCdGdG were determined in aqueous solutions using different pH buffer and TCAA. The degradation rates were enhanced 1.3-3.0 times in the presence of TCAA at pH 7.5 and 8.0 at 80 degrees C, while the hydrolysis of oligoguanylate (oligo(G)) was accelerated about 1.6 times at pH 8.0. A weak inhibitory activity for the cleavage of oligo(G) was detected in the presence of 0.055 M TCAA-Std. On the other hand, our recent study on the influences of TCAA for the template-directed reaction of oligo(G) on a polycytidylic acid template showed that TCAA has an acceleration activity for the degradation of the activated nucleotide monomer and an acceleration activity for the formation of G5' ppG capped oligo(G). This series of studies suggest that efficient and selective catalytic or inhibitory activities for either the degradation or formation of RNA under hydrothermal conditions could have hardly emerged from the simple thermal condensation products of amino acids. A scenario is going to be deduced on the chemical evolution of enzymatic activities and RNA molecules concerning hydrothermal earth conditions.     

中层顶区钠层化学反应寿命的初步研究

利用本征值和本征矢量的分析方法，对钠层的光化学反应的寿命进行了研究，结果表明，利用该方法计算出的钠原子的化学寿命与传统理论有所不同．从而证明了在中层顶区，钠层的中上部的扰动主要受大气动力学过程的影响，钠层底部主要由光化学控制．这为利用钠层作为示踪剂研究中层顶大气动力学的理论提供了理论依据．