毛细流动聚焦的实验方法及过程控制

作为一种基于毛细流动制备微纳尺度液滴的技术,毛细流动聚焦（Capillary flow focusing）在工程领域具有重要应用。回顾了基于吹气式和吸气式核心装置的毛细流动聚焦实验方法,展示了完整的测试平台,介绍了施加外部激励控制流动聚焦射流破碎的实验方法。同时,给出了同轴界面的拍摄方法,可获得清晰的内外层流体界面图像。在对流体锥形收缩阶段的研究中,探讨了几何参数与流动控制参数对流体锥形的形态与稳定性的影响。在稳定锥形下,研究了流动控制参数对液体射流直径、扰动波长及复合射流界面耦合的影响,并基于光的折射定律,对复合射流外层界面透镜效应所导致的内界面失真进行了修正。在对激励作用下射流破碎的研究中,考察了射流长度随振幅的变化,建立了尺度率关系,探讨了频率对生成液滴的单分散性及粒径的影响规律,为在实际应用中可控制备单分散性微液滴提供了理论与技术支持。     

原子层热电堆热流传感器研制及其性能测试

针对高超声速风洞试验中对高频热流脉动的测试需求,研制了一种基于横向热电效应的原子层热电堆（Atomic Layer Thermopile,ALTP）热流传感器。利用弧光灯热流传感器标定系统对其进行静态标定,获得ALTP热流传感器的灵敏度系数约为8.24 μV/（kW·m-2）,优于国外同尺寸敏感元件的ALTP热流传感器6.90 μV/（kW·m-2）的灵敏度系数;利用激波风洞试验,并通过与薄膜热电阻热流传感器对比,初步获得ALTP热流传感器的响应时间上限,响应时间小于0.20 μs。     

瞬变温度声速变压力测量传感器技术研究

从分析压力传感器的平面膜片结构在变温场中存在的失稳现象入手,突破常规设计方法,采用新颖的球壳状膜片结构,克服了失稳现象,结合采取一系列相应的技术措施,实现了瞬变温度流场速变压力的实时精确测量。     

油水乳化液中分散相液滴的力学行为初探——剪切流对油水乳状液分散相液滴集聚的影响

油水分离机械中油水乳状液分散相液滴的力学行为直接影响到分离机械的分离效率。笔者通过在旋转剪切场中油水乳化液稳定特性的实验研究,对剪切对油水分离效率影响进行了初步探索。实验发现不同剪切强度对乳化液分离效率会产生正面或负面的影响。通过分散相液滴界面膜的受力及其在剪力作用下的变形分析,初步解释了剪切场和交变剪切场中乳化液分散相液滴的运动聚集规律,提出可以由其分散相液滴变形的长短径比的特定取值来判断相应的剪切强度对其沉降分离特性的影响。     

补气式等离子体合成射流激励器工作机制

补气式等离子体合成射流(PSJ)激励器通过在常规激励器的腔体上外接单向阀,增加吸气复原阶段的补气量,提升射流能量。为防止漏气,对单向阀结构进行了特别设计,并在单向阀进气口打开和封闭时,分别测量了激励器射流峰值速度、腔体内部压力,及其放电电压和电流,探究单向阀补气改善射流性能的工作机制。结果表明,单向阀能够显著提高等离子体合成射流性能。射流穿透高度提升达30.0%,射流峰值速度增加达到18.7%,射流作用范围面积扩大达76.3%。但其有效作用频段仍与单向阀的响应频率和承受反向冲击压力的能力及激励器饱和工作频率密切相关。补气工作机制是单向阀补气与放电之间形成正向反馈作用,通过单向阀在吸气复原阶段扩大进气口面积,吸气复原更充分,腔内气压增大,使得气体击穿电压升高,增大能量沉积阶段的放电能量,提高腔内压力,产生更大内外压差,从而提升射流性能。射流喷出后腔内负压更大,也进一步促进了吸气复原,通过单向阀补气的作用更显著。     

融合物理的神经网络方法在流场重建中的应用

神经网络融合物理先验知识能极大提高其拟合复杂变量的能力,其中融合神经网络和物理控制方程的物理融合神经网络模型（physical-informed neural network, PINN）,赋予传统神经网络所不具备的先验知识和可解释性。结合课题组对PINN方法的研究和应用,本文介绍了融合N-S方程的PINN神经网络模型预测能力。首先借助三维超声速槽道湍流的直接数值计算数据,耦合神经网络和可压缩N-S方程,应用PINN方法对槽流的瞬时流场的物理量进行预测,并对瞬时量及其统计平均值与DNS对应结果进行对比来验证训练所获PINN模型的可靠性。其次,借助不可压缩圆柱绕流与三维可压缩槽道流动的计算数据,利用PINN模型进行了N-S控制方程待定系数与待定项的重建,结果显示其在重建流场流动信息的同时可逼近方程的待定系数。研究结果证实了PINN方法可为建立流动物理模型提供工具和算法支撑。     

开裂式阻力方向舵流固耦合机理分析

为了探究阻力方向舵开裂状态下的流场形态和流固耦合运动机理,采用计算流体力学(CFD)方法开展了不同开裂角下的二维阻力方向舵的流场计算。基于动力学模态分解(DMD)方法对各流场进行模态分解,分析了各模态的流动特征及频率变化。结果表明,在20°开裂角的范围内,机翼绕流的流场结构以开裂区内的驻涡及后缘脱落涡为主,流场各阶模态频率随来流速度的增大而增大,随开裂角的增大而减小。同时,对不同开裂角的二维翼型开展了流固耦合计算。结果表明,随着折减速度的增加,系统的流固耦合运动形式由涡致振动发展为流动失稳,系统的失稳边界随着开裂角的增大而提高。     

带倾角合成射流激励器对低速主流矢量控制研究

基于全流场计算模型——X-L,对带倾角合成射流激励器控制宏观低速主流流动进行了数值分率的情况下,可使主流流动方向发生大幅度析和机理研究。结果显示,激励器出口倾角对主流矢量角控制影响很大,在不增加输入功偏转。在激励器存在出口倾角情况下,各状态参数和激励器布置位置对主流矢量影响按规律变化且存在最佳值。压强梯度的存在和旋涡的卷吸作用是合成射流激励器控制宏观低速流流动方向的主要因素。     

火箭尾喷流对带孔平板冲击流场的数值模拟

采用计算流体力学方法 ,从雷诺平均二维非定常轴对称 N-S方程出发 ,选用 Mac Cormack有限差分格式 ,对火箭喷流进行了数值模拟 ,计算结果和实验数据吻合较好。在此基础上 ,数值模拟了火箭发射时与带孔平板形成的冲击流场 ,分析了流场结构及特性     

钟形返回舱空气动力特性数值模拟

文章基于Euler方程及N－S方程的数值求解方法，对回舱亚、跨声速和高超声速的流场及气动特性进行了数值模拟，其中Euler方程数值求解采用二阶Godunov有限体积法；N－S方程数值求解采用二阶Harten-Yee格式的差分法，得到同实验值一致的物面压力、气动力系数和在不同速度范围出现的激波、流动分离及旋涡等流场特征。通过完全气体、平衡气体和非平衡气体的流场数值模拟结果分析比较，得出真实气体效应对返回舱气动力特性影响较小这一结论。计算结果表明数值模拟方法是预测返回舱气动特性的有效手段。