Recent advances in physical understanding and quantitative prediction of impinging-jet dynamics and atomization

Impinging-jet injectors are widely used in liquid propulsion applications, since their simple configuration provides reliable and efficient atomization. The flowfield involves a series of complicated spatio-temporal evolutions. Much effort has been directed toward understanding the underlying physics and developing quantitative predictions of impinging-jet atomization. This paper summarizes the recent advances in this direction, including state-of-the-art theoretical, experimental, and numerical studies, along with representative results. Finally, concluding remarks address remaining challenges and highlight modeling capabilities of high-fidelity simulations.     

单晶高温合金固液界面形状及对凝固组织的影响

ＤＤ８单晶高温合金在高温度梯度宽变速定向凝固装置上进行了单晶定向凝固实验，并在实验基础上系统地分析了凝固条件对固液界面形状及凝固组织缺陷的影响。结果表明，提高冷却速率，限制凝固速率在特定临界速率Ｖ＊以下，可以保持平直的固液界面；当超过这一临界速率Ｖ＊时，固液界面出现下凹，下凹的间液界面将导致形成小角度晶界、显微组织疏松及发散凝固组织，高凝固速率将导致定向凝固过程的个稳定性，制造冷却速率的定向凝固装置是实现快速定向凝固的必要条件。     

复合固体推进剂脱模型的研究

研究了复合固体推进剂颗粒界面的脱湿机理。运用弹笥－粘弹性对应笥原理建立了复合固体推进剂粘弹性脱湿两相球颗粒分析模型，利用能量守恒得到了脱湿时间的控制方程，并导出了以界面粘结能表示的临界脱湿应力的简洁表达式。计算结果表明，颗粒的体积分数、粒径和加载速率对脱湿时间有显著的影响。     

几种高性能纤维的表面性能及其对界面粘接的影响

分别使用扫描电镜和X射线光电子能谱仪，对T-800炭纤雏、F-12有机纤维及新型超高强度PBO纤雏(聚对苯撑苯并双嗯唑)进行了物理与化学表征和分析，用SEM观察得出这三种纤雏表面物理形态差别清晰可见，T-800纤雏表面沟槽深且直径小，PBO纤雏表面极光滑且直径中等，F-12纤维直径最大且表面有微小沟槽。XPS定量分析表明，这三种纤维表面活性也不一样，T-800纤维表面活性较多，PBO纤维表面活性最差。纤维表面状态的差异体现在它们与树脂复合后的材料界面粘接性能上，T-800纤维的界面剪切强度(IFSS)高，F-12纤雏次之，PBO纤雏最差。     

CF／PPEK和CF／PPES复合材料界面研究

利用X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)研究了碳纤维/杂萘联苯聚醚酮(CF/PPEK)和碳纤维/杂萘联苯聚醚砜(CF/PPES)复合材料的界面状态和结构,证明了纤维和聚合物的界面上确有新的化学结构出现,使CF/PPEK和CF/PPES的界面形成强的物理和化学作用。     

复合固体推进剂细观损伤形貌数值模拟

为准确模拟固含量不同时复合固体推进剂细观损伤产生、演化、聚合至宏观裂纹形成的过程,及该过程对复合固体推进剂非线性力学性能的影响,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在AP颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤。利用有限元法,对含损伤颗粒夹杂模型进行计算,通过对比数值仿真结果,研究了固含量及界面损伤对复合固体推进剂细观损伤形貌及宏观力学性能的影响。结果表明,当固含量较低时,颗粒与基体之间界面损伤的聚合往往发生在少部分颗粒之间,随固含量增大,参与界面损伤聚合的颗粒逐渐增多,形成的宏观裂纹越来越明显;颗粒与基体之间的界面损伤,对复合固体推进剂非线性力学性能影响较大,不可忽略。     

电流对SnBi共晶合金熔体／Cu反应偶界面反应的影响

研究了250℃条件下电流对SnBi共晶熔体／Cu／SnBi共晶熔体反应偶的界面反应的影响。实验结果表明未施加电流时SnBi共晶熔体／Cu反应偶界面反应产物为扇贝状的Cu6Sn5层和薄的Cu3Sn层。施加电流会促进SnBi共晶熔体／Cu反应偶界面反应层的生长。电流作用下SnBi共晶熔体／Cu／SnBi共晶熔体反应偶的阳极界面反应层厚度明显厚于阴极界面反应层厚度。     

界面相对3D-C/SiC复合材料热膨胀性能的影响

利用减压化学气相浸渗（LPCVI）技术制备了3D C/SiC复合材料,从热解碳（PyC）界面相厚度对界面结合强度和热应力的影响出发,研究了界面相对复合材料热膨胀性能的影响。结果表明:①界面相厚度对3D C/SiC复合材料热膨胀性能的影响主要归因于其对界面结合强度和脱黏面上的滑移阻力的影响。在一定厚度范围（约70～220nm）内,材料的热膨胀系数随热解碳厚度的增加而逐渐降低;②热处理可提高材料的热稳定性,并通过改变材料内部结构,使热应力重新分布,对复合材料的高温热膨胀产生显著影响,但是,并没有改变基体裂纹的愈合温度（900℃）。     

噪声激励下典型复合材料铆接结构的声固耦合分析

针对CVI工艺下复合材料典型铆接板,提出一种适合复杂模型动力学分析的建模方法:采用Bush和RBE2的组合单元模拟铆钉连接,将板间的弱非线性接触力转化为接触刚度,建立该复合材料铆接板的有限元模型。同时,基于有限元-间接边界元法推导了考虑接触力的声固耦合动力学方程,开展了该复合材料铆接板在随机噪声激励下的声固耦合分析,并探讨界面接触对声固耦合系统固有特性和动响应的影响。研究结果表明,界面接触模型比界面刚接模型更为准确;刚接模型会增大复合材料铆接板连接界面的局部刚度,使得结构的固有频率偏高,响应峰值向高频处移动;考虑接触对结构的加速度响应影响较大,对应力响应影响较小。     

固体发动机包覆层与推进剂界面脱粘裂纹稳定性分析

为了判断固体发动机药柱包覆层与推进剂界面脱粘裂纹在燃气内压和轴向过栽联合作用下的稳定性,以翼锥药型并含前后伞盘的固体发动机为例,应用有限元方法,建立界面脱粘的三维有限元计算模型,在界面脱粘裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展。通过在包覆层与推进剂界面上设置不同深度的脱粘,分别计算不同深度时脱粘裂纹的应力强度因子,得到裂纹应力强度因子随脱粘深度的变化规律,由此判断裂纹的稳定性。