描述碳纳米管内水分子单链的深度学习势

碳纳米管通道内的受限水具有与体相水截然不同的物理力学性质。当纳米管直径低至约0.8 nm时,通道内水分子形成与生物水通道内类似的单链结构,并显现出极高的流速和离子排斥能力。尽管基于经验势的分子动力学模拟在揭示单链水的奇特行为方面发挥了重要作用,但其模拟结果通常依赖于水模型和壁面-水作用参数选取。本文以从头算分子动力学计算结果为数据集,通过深度神经网络训练获得描述碳纳米管内单链水的深度学习势。基于深度学习势的分子动力学模拟在势能和原子受力方面具有近似第一性原理水平的准确性但低得多的计算成本,能准确重现从头算分子动力学得到的单链水性质,包括O-H键长、H-O-H键角、取向角和密度分布等。此外,本文对比了该深度学习势与常用经典水模型所得结果的异同。本文所构建的深度学习势为以接近第一性原理的准确性进行碳纳米管内单链水体系的大尺寸、长时间模拟提供了可能。     

迎风面三维积冰过程中水膜流动的计算方法

对影响迎风面三维积冰过程的冰层表面水膜流动进行分析,建立描述其流动的数学模型,引入在流动前锋下游预设薄水膜的方法处理其在表面干区的流动推进过程,提出超过临界厚度的水膜被吹除的方法处理角状冰下游局部水膜被吹离表面的现象.通过对翼型-平板结构中翼型上的冰形对比和水膜流动规律分析,验证了该水膜流动数学模型的合理性和计算方法的可行性.研究表明:与Messinger模型相比,积冰模型中引入水膜流动后,可以较好地模拟三维明冰积冰,同时明冰极限的模拟结果也更接近试验值;冰层表面的水膜厚度约为10-5m,流动速度约为10-2m/s.      

结冰表面粗糙度预测与分析

通过对结冰表面液态水的受力分析,确定了水膜、水珠和细流特征粗糙度的大小及其之间的界限划分,发展和完善了结冰表面的粗糙度模型,开发了耦合该粗糙度模型的多步结冰计算程序;利用该程序计算结冰表面的粗糙度大小和分布特征,并对粗糙度影响下的流动和换热特性进行了计算分析;研究发现,结冰表面的粗糙度在分布是不均匀的,且随着结冰温度的降低,局部粗糙度的最大值降低,但在整个结冰过程中,局部粗糙度的最大值表现出增加的趋势;粗糙度的存在增强了结冰表面的对流换热。     

民用飞机水系统管路流动的数值模拟

水系统是民用客机中不可缺少的重要系统。在水系统的设计过程中,管路的设计占据着非常关键的位置,而对管路流动性能的数值模拟能够很好地指导管路的设计与优化。选取民用客机水系统中的加水管路作为研究对象,采用FLOWMASTER管网系统和CFD两种方法对加水管路在不同压差、不同壁面粗糙度条件下进行数值模拟,并对两种方法的计算结果进行比较分析。结果表明:FLOWMASTER管网系统能够快速、准确和可靠地获得流量等管路主要性能;而CFD方法则能够提供管路流动的流场细节信息。在水系统管路的设计过程中,应当充分利用这两种方法,发挥其各自优势,更好地完成水系统管路设计。     

剪切分散工艺制备环氧树脂／粘土纳米复合材料的结构与力学性能研究

采用十二胺盐处理的蒙脱土(MMTDDA)和环氧(E-51)/4,4′二胺基二苯砜(DDS)体系为研究对象,分别通过普通搅拌(磁力搅拌)和高速剪切分散(高速乳化均质机)两种分散MMTDDA的工艺制备了环氧树脂MMTDDA纳米复合材料。透射电镜(TEM)观察表明,普通搅拌分散法制备的纳米复合材料中存在较多粘土团聚体,而通过高速剪切分散施加一定外部剪切力细化分散粘土团聚体,则有利于粘土片层在固化过程中充分解离,力学性能明显提高。在一定剪切速率下,力学性能随剪切分散时间的增加而增加;当粘土含量为3wt%时,冲击强度可由32.1kJ/m2提高到43.9kJ/m2,提高近36.8%,弯曲强度也有一定提高。动态热机械性能(DMA)分析表明,环氧树脂/MMTDDA纳米复合材料的储能模量在玻璃态没有明显改善,但在玻璃化转变区具有一定的提高;玻璃化转变温度(Tg)和损耗模量都得到不同程度的提高,Tg由纯环氧树脂的209.6℃提高到环氧树脂/MMTDDA(3wt%)纳米复合材料的214.9℃,提高近5.3℃,且粘土片层的分散解离效果越好,提高的幅度越大。     

沥青道面摩擦系数随水膜厚度的变化规律

对沥青道面在不同湿滑状态下的抗滑性能进行研究。利用遥感式路面状况传感器和摆式摩擦仪测量3种不同沥青表面在不同厚度水膜覆盖情况下的摩擦系数,试验结果表明:水膜厚度为0~1 mm时,3种表面的摩擦系数均呈下降趋势;水膜厚度为1~5 mm时,摩擦系数基本保持不变。结合试验数据分析水膜厚度对摩擦系数的影响机理,建立水膜厚度为0~5 mm时摩擦系数随水膜厚度变化的模型。模型表明随着水膜厚度增加,轮胎与道面的摩擦过程经历3个不同的润滑阶段,其中混合润滑阶段摩擦系数与水膜厚度存在对数关系。水膜厚度对摩擦系数影响规律主要受表面微观构造控制,在低速摩擦情况下水膜厚度的增加对摩擦系数影响较小。     

水膜形成对轴流风扇气动影响的数值研究

为了研究水膜对风扇气动特性的影响,综合水滴碰撞壁面的参数,应用水膜方程求得叶片表面水膜方均根厚度。在数值计算中引入砂砾粗糙度模型来模拟水膜引起的叶片表面粗糙度变化。针对不同吞雨量和水滴直径条件开展数值计算。计算结果表明:水膜主要分布在叶片压力面中的前缘和叶根区域,其厚度和沉积面积随着吞雨量的增加而增大,并且水膜的存在会导致风扇压比和温比的降低。例如,当水滴直径为1000μm、吞雨量为5%时,水滴沉积面积为0.0758m2,占叶片压力面总表面积的33.91%。      

水上飞机起飞历程的水动力特性研究

水上飞机能够在水面高效起降得益于船体布局的精细化设计,而深入掌握水上飞机的水面起飞滑行规律对于飞机的研制至关重要。采用水池拖曳试验和数值模拟方法两种研究方法探寻流动机制,分析大型两栖水上飞机滑行过程中的水动力特性。结果表明:利用计算流体动力学技术可以较为精确地模拟复杂外形的两相流耦合六自由度运动,与水池拖曳试验的流场形态和模型动力学特性吻合,在起飞全过程中阻力误差均在10%以内;对于带起落架舱的大型两栖水上飞机,前体舭弯产生的强烈喷溅是阻力峰产生的根本原因。     

选择性激光烧结尼龙材料及其挡水板制件性能研究

采用SLS尼龙12设计并成形了某箭体低承载挡水板薄壁结构,重点就SLS尼龙12及其碳纤维增强材料的力学、热学、断口微观形貌以及制件SLS工艺参数进行了研究。研究表明,选用牌号X1556尼龙12作为挡水板材料,其无缺口冲击强度81.2 kJ/m^2,断裂伸长率26.9%,烧结窗口温度差26.0℃,材料具备良好的抗冲击强度、断裂韧性和较宽的烧结窗口温度范围。优化设置成形工艺参数,如预铺粉起始温度为155℃,预铺粉保持温度168℃,加工温度169℃,填充速度4 000 mm/s,成形的挡水板制件外观良好,并且该制件通过了防水及耐热试验考核验证,为SLS尼龙成形技术在航天领域中的拓展应用打下基础。