细长体出水动力学的实验研究及数值模拟

航行体出水过程涉及到气液两相交界,流场是非定常且高度非线性的,是一个非常复杂的过程。为了深入研究该问题,采用实验和数值模拟相结合的方法研究了细长体垂直出水过程的水动力特性。实验在二维水箱中进行,采用高速摄影仪拍摄了不同速度下细长体垂直出水流场。数值模拟采用 VOF 模型,结合动网格和 UDF 技术对相应的实验工况进行了模拟。研究了细长体水下运动过程中空泡的生长和溃灭机理,以及细长体出水时对自由液面的干扰规律。实验研究表明:(1)细长体在完全出水时刻出水速度发生突增;(2)随着细长体速度的增大,空泡产生的部位是从尾部开始,然后再在头部出现;(3)当细长体头部没有局部空泡产生的时候,细长体出水时会造成明显液面隆起现象,当细长体头部产生局部空泡后,细长体出水时,没有明显液面隆起现象,但是会产生“喷溅”现象。数值计算表明:在不产生空泡的情况下,细长体头部接近水面到完全出水的过程中,自由液面都会隆起,尾部出水时液面隆起的程度比头部出水时大。通过比较数值计算结果与实验结果,两者吻合较好。     

结冰风洞喷嘴雾化特性研究

结冰风洞试验段中的云雾通常由安装在稳定段的喷雾系统产生。喷雾系统雾化喷嘴的性能直接关系到结冰风洞试验段平均水滴直径(MVD)、液态水含量以及云雾均匀性等关键技术指标。在喷嘴试验台上分别使用PDI(相位多普勒干涉仪)及微流量计对小粒径雾化喷嘴的平均水滴直径(MVD)及水流量进行测量,得到了结冰风洞空气辅助雾化喷嘴的流量-粒径性能包线,同时,对喷嘴的供水、供气压力及其配比和水路节流管尺寸对喷嘴雾化性能的影响进行了研究。研究结果表明:喷嘴水、气压力差的大小和范围决定了喷嘴的粒径及调节比的范围。压差越大,粒径和水流量越大,压力差范围越大,调节比越大。减小喷嘴水路节流管的直径,可以增加喷嘴工作的水、气压力差范围,扩展喷嘴的流量-粒径包络线。最终的测试结果表明,结冰风洞所使用喷嘴 MVD 范围为7~70μm,水流量调节比为11.5,其参数调节范围优于国外同类风洞所使用雾化喷嘴。     

双锥流量计气液两相流流量测量模型研究

气液两相流广泛存在于化工、动力、炼油、油气开采与输送等领域,其参数的传感与测量是工业系统中难以回避的一个难题。提出一种双锥结构的新型差压式流量测量方法,设计并加工了直径比分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的双锥流量计,分析了不同直径比双锥流量计对单相介质的测量特性。以空气和水为介质,开展了水平管气液两相流流量测量实验研究。通过分析准气相流量比与 Lockhart-Martinelli 常数的关系,基于分相流理论建立了适合双锥流量计的两相流流量测量模型。实验结果表明,在不同直径比下准气相流量比与 Lockhart-Martinelli常数均具有优良的线性关系,流量测量模型对气液两相流总流量测量的误差可在6%以内。     

仿鞭毛菌游动的微型机器人近壁运动

鞭毛菌及模仿其运行的微机器人在靠近壁面游动时,其运动模式与远离壁面时有所不同。针对这一现象,本文利用抗力理论和Stokes方程的线性性质,对鞭毛菌在壁面附近运动时流体对其施加的作用力进行分析,建立了鞭毛菌近壁运动的动力学模型。同时计算了细菌在平行于壁面平面内的运动轨迹与游动速度,并与实验数据进行对比分析,结果验证了该理论模型 的有效性。在此基础上,探讨了鞭毛尾的几何和运动学参数与细菌的速度变化量之间的关系。本文研究为微型仿生游动机器人运动控制时规避近壁效应提供参考依据。     

计算参数对数值修正载荷识别算法的影响

针对在载荷识别计算中经常遇到的累积误差问题,提出了一种在每个时间步长内迭代修正的 载荷识别算法。首先利用拟静态算法得到载荷初值,再使用数值迭代算法对其进行修正计算,仿真结果表明,该修正算法可以有效地减小由于累积误差导致的发散,得到收敛的识别结果。针对上述算法,本文以多输入多输出简支梁为模型,分别分析了区间放大系数、区间分割系数和精确度指标3个计算参数对于识别结果的影响。计算结果显示,参数的选择对算法的效率和精度影响很大,不当的参数甚至可能引起识别结果严重发散,所以选择合适的计算参数对于数值修正算法十分重要。     

钛合金TB6铣削加工硬化实验

研究了使用涂层硬质合金刀具对钛合金TB6进行端铣加工时,铣削参数以及刀具后刀面磨损量对加工硬化（表面硬化率、硬化层深度以及硬化层硬度分布）的影响,以弄清TB6铣削硬化现象及机理.结果表明,在实验参数范围内,刀具无磨损的情况下,硬化率基本保持在107%~112%范围内,硬化层深度范围为18~36 μm;铣削速度增加时,加工硬化程度会有较为明显的降低现象,而进给量与切深对加工硬化的影响并不明显;刀具磨损对加工硬化的影响较为显著,后刀面磨损量低于0.2 mm时,硬化层深度随着磨损增加从30 μm增加至55 μm,而后刀面磨损量为0.35 mm时,硬化层深度达到了130 μm.刀具磨损后在加工表面下较浅位置出现软化区域,而且随着磨损量的增加,软化越来越明显.      

分离式机械压汽蒸馏系统的实验

针对传统机械压汽蒸馏的不足,提出分离式机械压汽蒸馏系统.建立了一套容量为1.5 m3/d的单效分离式机械压汽蒸馏系统并对其进行实验研究.实验系统主要由两套旋转蒸发器、冷凝器以及压缩机组成.通过改变压缩机转速和蒸发温度来研究系统的性能.结果表明在蒸馏水产量一定的前提下压缩机进口压力和冷凝器进口压力随着压缩机转速的增加而逐渐下降,换热温差随着压缩机转速的增加而增加,最高温差稳定在8.5℃左右.通过改变系统的真空度获得不同的蒸发温度,蒸发温度越高,蒸馏产量越高,系统性能也越好.      

旋翼微多普勒特性实验分析

为分析旋翼及其主要部件的微多普勒效应特点,提出了一种通过微波暗室进行旋翼微多普勒效应测试的实验方法,并通过实例验证了实验方法的可靠性;两种桨叶不同桨叶片数的系列实验结果表明,旋翼的微多普勒特性通过频率把各个散射部件的回波能量分开,旋翼的片数和转速不影响微多普勒特性的分析估算,旋翼的微多普勒特性仅与其运动特性相关;结合直升机目标识别特征,采用短时傅里叶变换方法对实验数据进行微多普勒效应提取,分析了微多普勒效应与入射波和旋翼几何属性之间的关系,得到了旋翼微多普勒效应的频率特性、极化特性和宽频带特性.     

非高斯随机振动的模拟方法

随机振动台根据功率谱密度（PSD,Power Spectral Density）生成的信号为高斯信号,而实际振动环境有时是非高斯的,因此随机振动实验常常无法准确模拟产品在真实振动环境下的失效情况。通过两个案例分别对均方根值（RMS,Root Mean Square）不随时间变化和随时间变化的非高斯随机振动进行了模拟方法研究。案例1利用Hermite多项式法对高斯信号进行了转换,在保证功率谱密度不变的同时得到了具有指定峭度的RMS不随时间变化的非高斯信号,但该方法对于输入的峭度有限制,当输入峭度大于10时,误差达到了20%。案例2利用一种新方法对实测的RMS随时间变化的非高斯振动进行了模拟,模拟后得到的非高斯信号和实测信号具有相同的功率谱密度、峭度以及概率分布,验证了新方法的准确性。