Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences
Not a member yet
33838 research outputs found
Sort by
基于MHz深度频率调制激光干涉的相位测量技术
No full text深度频率调制（DFM）干涉技术是实现空间引力波探测激光干涉测量系统简化的有效方案。当前DFM干涉技术普遍使用kHz级调制，导致激光功率噪声会耦合进入系统，从而增加本底噪声，难以满足高精度空间测量的要求。本文提出将DFM的调制频率提升至MHz量级以减少激光功率噪声的影响。通过深入分析DFM技术原理，采用贝塞尔函数展开、正交解调和推广J1···J4方法设计了DFM干涉相位信号提取方法。基于MHz级信号处理需求，完成了相位测量系统的软硬件构建，并对系统在多种工况下的性能进行测试与评估。测试结果表明：相位测量系统具有良好的线性度和准确度，且在不同工况下，2 mHz～1 Hz频段内的相位噪声均优于2π μrad/Hz1/2，能够满足空间引力波探测的相位测量需求
Direct Numerical Simulation of Complex Boundary Layer Phenomena over Representative Hypersonic Configurations
No full text转捩问题是飞行器设计中重点关注的对象之一，高超声速边界层何时发生转捩
对飞行器的热防护和气动性能具有较大影响。通常情况下，湍流边界层相比层流
会导致壁面摩擦力和热流大幅增加，会直接影响热防护和气动性能，不利于飞行
器的结构安全和性能发挥。出于降低壁面热流和阻力的考虑，工程上通常选择钝
头体外形，并通过优化钝头半径和锥体形状来延缓转捩，降低壁面热流和阻力。
因此，围绕钝锥体外形进行转捩问题的研究对于提升飞行器性能和热防护设计具
有重要意义。
激波边界层干扰问题同样是高超声速飞行器设计中的关键问题，具有重要的工程
应用价值。目前，低焓条件下的激波边界层干扰已经得到了广泛研究，而针对高
焓条件下的相关研究仍然相对有限。在高焓环境下，干扰区内流动本身极为复
杂，涉及激波的低频振荡、边界层的大尺度分离以及湍流边界层的不稳定性等多
种现象。当进一步引入化学反应时，化学反应过程又会反过来影响干扰区内的流
动结构、热力学特性和不稳定性，显著改变整体流动行为。因此，深入研究高焓
条件下的激波边界层干扰问题，不仅对于揭示复杂流动与化学反应耦合机制具有
研究意义，也对高超声速飞行器气动热防护设计和工程应用具有指导价值。
本文采用直接数值模拟方法，针对来流马赫数 的高超声速钝锥体外
形，开展了边界层转捩问题的研究，重点分析了不同锥头钝度对流动转捩行为的
影响。通过频谱分析等手段，对比了小钝度和大钝度条件下钝锥体边界层的转捩
行为。此外，本文还针对来流马赫数 的高焓条件下的平板激波/湍
流边界层干扰问题进行了直接数值模拟研究，特别关注化学反应对干扰区流动的
影响,研究了化学反应在干扰区内的作用机制，总结了化学反应对激波/湍流边界
层干扰流动的影响规律。
本文的主要研究内容及取得的成果如下：
(1) 基于高性能图形处理单元（Graphics Processing Unit,GPU）的并行计算平
台，采用直接数值模拟方法，研究了不同锥头半径条件下的高超声速钝锥体边界
层转捩过程。借助GPU强大的计算能力，当前数值模拟的最大网格量达到300亿量
级。在自由来流马赫数 的条件下，分布针对锥头半径分别为1
mm、10 mm、20 mm及40 mm的四种典型工况，通过施加具有宽频谱和多波数分布
的随机壁面扰动，模拟实际壁面粗糙度引发的自由转捩。数值模拟结果表明，锥
头半径增大会导致边界层转捩位置后移，且转捩区间逐渐延长；对于锥头半径为
1 mm 的尖锥工况，转捩位置与熵吞现象几乎同时出现，导致转捩区上游的不稳
定扰动波的幅值显著增强。而在较大锥头半径工况下，转捩位置则早于熵吞点。
通过对边界层内扰动波和熵层内扰动波进行频谱分析发现，在当前考虑的四种锥
头半径下，所有工况在转捩区内均存在两个典型特征频率，即一个高频模态与一
个极低频的模态；其中高频模态的特征频率随着锥头半径的增大而降低，表现出
较强的锥头半径依赖性，而极低频模态的特征频率无明显变化。此外，来自于熵
层内的扰动波会影响边界层内高频模态的特征频率，使其特征频率升高，表明熵
层在钝锥边界层内不稳定扰动波的放大过程中发挥作用。
(2) 使用直接数值模拟方法，研究了高焓条件下的入射激波与湍流边界层干扰过
程，重点关注了化学反应对该过程的影响。在自由来流马赫数条件
下，采用空气的五组分十七基元反应模型模拟流动中由于高温诱发的化学反应。
在计算域的上边界引入一道入射角为17°的斜激波打入湍流边界层，诱发了流动
分离与再附现象，模拟了激波/湍流边界层干扰过程。通过对比含化学反应与不
含化学反应条件下的数值结果，发现由化学反应带来的吸热效应降低了壁面附近
的平均温度。在激波/湍流边界层相互干扰区内，含化学反应工况的分离泡的尺
寸明显更小，且分离泡的低频振荡频率更高。这一现象可归因于壁面附近的温度
降低引发的近壁面附近流体密度和速度的增高，从而增强了流体动量，提高了边
界层抵抗冲击逆压力梯度的能力。此外，化学反应产物的质量分数和Damköhler
数沿流向的分布表明，激波边界层干扰区附近存在明显的化学非平衡效应，且化
学反应非平衡态在整个高焓湍流边界层内都存在。尽管湍流运动能够在一定程度
上促进化学反应向平衡态演化，但在当前的高焓条件下，化学反应并未达到化学
反应平衡态。</p
Kinetic Evolution and Interfacial Engineering Control in the Evaporation-Induced Film Formation of Colloidal Droplets
No full text液滴蒸发引起的“咖啡环”效应广泛存在于自然界及日常生产生活中。然而，在诸多实际应用场景中，这种非均匀的环状沉积往往带来负面影响。例如，在喷墨打印过程中，功能材料的非均匀沉积会显著降低器件质量和性能。因此，深入研究蒸发液滴内部复杂的动力学机制，并探索高效的咖啡环抑制方法，对于推动先进印刷制造工艺的发展至关重要。然而，由于液滴蒸发过程涉及多尺度、多物理场耦合，其内部流动与传质机理仍未完全厘清，且目前仍缺乏通用、简便且高效的咖啡环抑制手段。这已成为包括喷墨打印在内的多项先进技术发展的关键瓶颈。
针对这一问题，本研究依托自主搭建的多物理场耦合实验平台与多方法原位表征体系，系统解析了液滴蒸发过程中的复杂流体力学行为，深入揭示了咖啡环形成的关键机理，并提出“界面捕获”作为抑制咖啡环的核心方法。
首先，利用实验平台开展了胶体液滴在低压环境下的蒸发自组装实验。研究表明，低压环境能够显著加快液滴的蒸发速率，而液气界面的快速下降则能有效诱导胶体颗粒的捕获，从而在宏观上有效抑制咖啡环的形成。在微观上，气液界面的颗粒自组装成功构建了均匀有序的光子晶体，进一步提升了沉积结构的质量。基于实验观察与理论分析，提出了低压辅助蒸发自组装（Low-Pressure Assisted Evaporative，LPAE）方法，并展示了其在印刷电子等领域的应用潜力。
随后，开展了主动气流强化胶体液滴蒸发自组装实验。通过理论建模与实验测试，确定了由径向壁面射流驱动的主动气流速度分布，并根据胶体颗粒的沉积特征优化了气流参数。数值模拟与流场观测揭示，通过主动气流可以有效调控蒸发通量分布，促进液滴内部产生剧烈的涡旋流动，而快速蒸发则强化了界面捕获机制，三者协同作用有效抑制了咖啡环效应。在此基础上，提出了主动气流强化蒸发自组装（Aerodynamic Control of Evaporative Self-assembly，ACES）方法，建立了一种不依赖于溶剂组分和基底性质的通用型咖啡环抑制方法，在实际应用中展现了极高的灵活性与适用性。
此外，探索了挥发性胶体液滴在不互溶液体基底上的铺展组装行为，深入阐明了胶体颗粒在流体界面自组装过程中涉及的多尺度耦合动力学机制。实验结果表明，胶体液滴在液体界面的蒸发-铺展过程中，宏观尺度上由Marangoni效应驱动液滴铺展，介观尺度上则出现蒸发诱导的去润湿现象，而在微观尺度上，胶体颗粒的自组装受到了毛细力与DLVO（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）相互作用的共同推动。基于这些机制的深入理解，成功实现了大面积、低缺陷的二维胶体组装膜的构筑，为通过流体界面制备高性能材料提供了一种简便而高效的新方法。
综上所述，本研究系统地揭示了胶体液滴蒸发过程中的复杂流体动力学及咖啡环形成机制，创新性地提出了以“界面捕获”为核心的LPAE与ACES两种咖啡环抑制方案。该研究为提升喷墨打印制造技术、制备高质量光子晶体提供了全新的技术路径与重要理论依据，具有显著的理论指导意义和广泛的应用价值，对相关先进制造工艺的发展具有重要推动作用。</p
Impact initiated chemical energy release of TiZr-based reactive high-entropy alloy
No full textReactive structural materials, combining the outstanding mechanical properties and significant chemical energy-release characteristic, have a wide range of critical applications in the defense and energy fields. However, it remains challenging to achieve a synergy between high mechanical strength over 1 GPa and outstanding chemical energy release of reactive structural materials upon impact. Here, a novel TiZrHfNbAl reactive high-entropy alloy (R-HEA) possessing a monolithically body-centered cubic structure was synthesized with remarkable dynamic strength (∼1120 MPa) and superior energy-release performance [∼0.33 MPa assessed via vented chamber calorimetry in direct ballistic tests]. Utilizing high-speed photography, we developed a new method based on image processing to ascertain the characteristic time of energy release. After ballistic tests, the reaction products were collected and scrutinized. It was found that an increase in impact velocity resulted in a greater fraction of smaller fragments, signifying a thoroughly complete reaction. Utilization of x-ray diffractometers, along with energy-dispersive analysis, we facilitated the detection of fragments of varied sizes at differing velocities. The outcomes suggested that the energy-release pathway of TiZrHfNbAl R-HEA primarily revolved around redox reaction and intermetallic reactions, particularly, with a unique mechanism of micro-explosion.</p
Mechanical behaviors and deformation mechanisms of heterogeneous steels with dual nanoprecipitates
No full text近二十年来，Fe-Mn-Al-C体系奥氏体轻质钢作为新一代轻质汽车用钢被广泛关注。由于其纳米级κ'-碳化物析出和独特的动态滑移带细化机制，使其具有高强度、大延展性的特点。然而，传统κ'-碳化物强化轻质钢在塑性变形过程中加工硬化能力较低，且在高应变率和低温等复杂工况下表现出较差的性能，限制了其广泛应用。另外关于高比强度钢的研究表明，通过合适的冷变形和热处理在晶粒内部引入分散的非共格B2颗粒，可以充分利用其强化效应并避免其带来的室温脆性。并且近些年来对于异质结构金属的研究表明通过构筑异构可以获得优异的强塑性匹配，原因在于异质变形诱导硬化提供了额外的应变硬化能力。
基于此，本文以Fe-29.02Mn-8.76Al-4.99Ni-1.04C (wt.%) 轻质钢为研究对象，在双纳米析出（κ'-碳化物和B2相）的基础上在基体内构筑异质结构，改善材料性能。其中由于引入Ni元素调整其析出行为，使纳米级非共格NiAl B2相在晶粒内析出。研究了双纳米析出异构钢的加工硬化行为及其对准静态拉伸性能和使役性能的提升，并探讨了其变形机理。主要结论如下：
(1) 通过冷轧和双阶段退火构筑多尺度异质结构，轻质钢在拉伸过程中展现出优异的强度-塑性匹配。时效处理后，材料的屈服强度显著提升至1.57 GPa以上，均匀伸长率达到14%，表现出高强度与高延展性的协同效应。通过加载-卸载-再加载 (LUR) 测试，定量表征了异质变形诱导硬化 (HDI) 对材料流变应力的贡献，揭示了多尺度异质结构在提升材料拉伸性能中的重要作用。研究表明，异质结构中的应变分配提供了额外的硬化能力，而双纳米析出相通过位错绕过B2相和切过κ'-碳化物实现硬化。
(2) 相比异质层状结构，多尺度异质结构样品在相似屈服强度水平下具有更高的断裂韧性。研究发现，裂纹尖端相邻区域的塑性变形机制主要为平面位错滑移和两个{111}平面上平行滑移带所形成的网络结构，滑移带网络的细化以及位错与析出相的相互作用提供了持续的加工硬化能力。此外，具有高密度B2析出相的样品在裂纹尖端形成了弥散分布的微裂纹，有效降低了裂纹驱动力，增加了能量耗散，从而显著提高了断裂韧性。
(3) 研究表明，奥氏体晶粒尺寸和κ'-碳化物尺寸对轻质钢的硬度、加工硬化行为和耐磨性有显著影响。随着奥氏体晶粒尺寸的减小和κ'-碳化物尺寸的增大，材料硬度逐渐提升。然而，中等硬度的样品表现出最佳的耐磨性能，这归因于硬度与韧性的最佳平衡。中等硬度的材料既具备足够的抗塑性变形能力以抵抗磨损，又避免了因过高硬度而导致的脆性断裂。通过微结构表征，揭示了磨损过程中表层和亚表面的微观结构演化，包括纳米晶粒、变形孪晶、层错和密排六方相的形成，这些微观结构特征显著增强了材料的应变硬化能力，并在材料磨损表面形成耐磨层，从而提升耐磨性能。
(4) 具有多尺度异质结构的轻质钢在动态剪切条件下表现出优异的剪切韧性。在动态剪切过程中，材料展现出显著的硬化能力，主要归因于位错与析出相的相互作用、滑移带细化和纳米网络的形成。特别是在低温条件下，变形机制更为复杂，表现为两组非共面滑移带的相交、纳米间距网络的形成以及变形诱发的层错 (SFs)。这些微观结构特征提供了加工硬化能力，从而显著提升了材料的动态剪切性能。
本研究为高性能轻量化钢的设计提供了新的思路和方法，通过微观结构的精确调控实现了材料性能的显著提升，为轻质钢在航空航天、汽车等领域的应用提供了理论支持和技术储备。此外，本研究还揭示了异质结构与双纳米析出相在提升材料综合性能中的协同作用机制，为未来高性能金属材料的研发提供了重要的参考。</p
Mechanical Behavior and Mesoscopic Mechanisms of Solid Propellants under Accelerated Aging Conditions
No full text本文采用宏观-细观相结合的试验分析方法，研究了HTPB（端羟基聚丁二烯）和NEPE（硝酸酯增塑聚醚）两种典型固体推进剂在不同热加速老化条件下的宏观力学性能变化规律及对应的细观损伤机制。系统地揭示了两种推进剂不同热加速老化下的行为特征及其内在机理。
在实验分析方面，本文根据已有标准对已经进行过严格等效的热加速老化推进剂材料进行单轴拉伸、应力松弛等力学测试，分析拉伸速率，温度及加速老化时间对宏观力学性能的影响，并定量分析对各影响因素对推进剂材料的宏观力学性能变化的影响。同时，利用电子计算机断层扫描(显微CT)与扫描电镜(SEM)等先进细观尺度表征技术，对两种推进剂在不同热加速老化条件下的细观结构演化进行了定量分析。
宏观力学测试结果表明HTPB固体推进剂的热加速老化驱动材料损伤由韧性向脆性转变，早期热加速老化对材料的性能影响更大。通过细观尺度表征并对结果进行量化，发现高拉伸速度率下材料倾向脆性断裂，推进剂材料各组分间的界面结合力退化促使孔隙处裂纹扩展。不同热加速老化下材料宏观力学性能的变化主导因素为材料各组分间的界面损伤和孔隙导致的损伤累积。
NEPE推进剂则由于更加分散的填充颗粒尺寸分布因而在热加速老化后表现出更为复杂的宏观力学行为特征。低温条件（-40 ℃）对材料强化效应尤为突出，材料的抗拉强度随拉伸速率升高显著增强，热加速老化过程中材料出现明显的软化现象。细观试验表征量化结果显示，随着热加速老化，NEPE推进剂材料内基体收缩显著，颗粒/基体界面脱粘程度加剧，材料内部孔隙率明显升高。
对比分析发现，两种热加速老化的推进剂材料表现显著差异的宏观力学特性。HTPB推进剂具有更好的长期贮存稳定性，其老化过程相对缓慢且规律性较强；而NEPE推进剂虽然具有更高的能量特性，但对环境条件更为敏感，老化速率更快。本研究对温度和拉伸速率影响下的两种使用最为广泛的固体推进剂材料的热加速老化损伤机理进行系统的宏观-微观相结合分析，所建立的实验方法为固体推进剂的安全性评估和性能优化提供了重要参考。</p
一种判断岩石孔隙结构是否随颗粒粒径变化的方法
No full text本发明提供了一种判断岩石孔隙结构是否随颗粒粒径变化的方法，包括如下步骤，将同一岩石样品从粗到细逐级粉碎，每级获得目数区间内的颗粒样品；每级筛选出相同质量的颗粒样品并进行不同压力下的渗透率测试，得到不同压力下颗粒样品的表观渗透率值和每级颗粒样品的渗透率比值；比较相同压力参数下相邻级颗粒样品的渗透率比值的变化差异，识别出岩石孔隙结构基本不随粒径变化或随粒径存在显著变化。使用本发明提供的判断方法，比较不同粒径颗粒的表观渗透率值随压力的变化特征差异，可以识别出孔隙结构基本不随粒径变化和随粒径存在显著变化，具有易操作、便捷的优点，解决了难以有效判断大量颗粒样品的孔隙结构是否随粒径变化的问题
一种宽域乘波翼身融合构型设计方法
No full text本发明公开了一种宽域乘波翼身融合构型设计方法，包括：确定宽域乘波翼身融合构型的平面几何参数：根据乘波前体前缘线设计参数kw、φ、η和λ，以及乘波前体长度LF生成乘波前体下表面；生成乘波前体上表面：对乘波前体进行前缘钝化；生成机翼曲面：确定机身上、下表面：基于已知数据点，通过CST曲面参数化方法确定机身上、下表面；获得机身和机翼之间光滑过渡的翼身融合段曲面：生成翼身融合段前缘曲面：通过若干光滑曲线连接乘波前体前缘和机翼前缘，在拟合曲线基础上生成翼身融合段前缘曲面；本发明采用CST参数化曲线和曲面方法对乘波翼身融合体构型进行了参数化，为宽域乘波类飞行器的工程化应用提供了一种有效的设计方法
一种基于高压液态CO2的旋流分选装置及分选方法
No full text本发明公开了旋流分离技术领域的一种基于高压液态CO2的旋流分选装置及分选方法，包括：分离仓，分离仓用于将非均相的物料进行旋流分离，使重相沿分离仓内壁向下迁移，轻相由分离仓中心向上迁移；收料仓，通过收料管连接于分离仓的下方，用于收集分离仓内向下迁移的重相；尾料仓，通过尾料管与分离仓顶部中心连接，用于收集分离仓内向上迁移的轻相；CO2输入管，与分离仓连接，用于向分离仓中输入高压液态CO2，以降低分离介质对物料的阻力，并且CO2输入管上安装有进液阀；加料仓，通过进料管与分离仓连通，并且进料管上设置有进料阀；加料仓的顶部还通过加料管与CO2输入管连通，并且加料管上设置有加料阀
Phase-Change Gas Migration Rules in Density-Stratified Water
No full text全球巨大的能源需求和显著的气候变化，使得深海天然气水合物（以下简称水合物）的开发成为世界各国关注的重要问题。海底甲烷泄漏在海洋中的运移过程涉及一系列复杂效应，了解海底甲烷泄漏的生态与环境效应，有助于更准确地预测气候变化、保护海洋生态、优化泄漏监测与应急响应，并推动甲烷水合物的可持续能源开发。本研究以水合物相关的海底甲烷泄漏引起的环境效应为背景，以理论、实验和数值模拟结合的方法，重点研究考虑水合物分解产物、气泡羽流结构的水体中甲烷运移规律，为未来水合物开采工程实践提供理论支撑。
首先，构建含水合物相变、传质、传热和流动的多相流动数学物理模型，给出质量、动量和能量守恒方程，水合物分解模型和组分输运方程以及初边值条件，形成具有封闭解的数学表述。通过量纲分析方法，推导得出了考虑密度分层的气-液-固多相流动问题的无量纲参数，为实验和数值模拟研究提供理论基础。
其次，设计新的对流换热条件下的纯水合物颗粒分解实验装置，研究不同粒径、不同固-液温差和不同水流速度条件下水合物的分解过程，揭示了颗粒粒径、固液温差及环境流速对水合物分解时间的影响规律，建立了水合物分解时间的无量纲表达式，为量化评估水合物分解提供了重要参考。
接着，采用示踪实验方法，研究不同边界约束效应和不同密度阶跃分层模式下气泡羽流运动特性。得到，在侧限约束较强时，不同密度分层流体的掺混表现为分界面的整体上升。小气泡的气液掺混程度随时间呈线性变化，得到掺混速率与弗劳德数的关系式；大气泡的掺混程度随时间呈抛物线变化，得到加速度与弗劳德数的关系式。在侧限约束较弱时，气泡羽流的侵入结构与密度分层高度和分界面密度梯度密切相关。底层高度较大或分界面梯度较大时，气泡羽流均在第一分界面表现出强烈侵入。实验揭示了气泡羽流的运动机制，为预测海底泄漏气体在海水中的运移路径提供了重要依据。
最后，基于欧拉-欧拉模型研究了浅土层中气体喷发多相流动规律，并通过实验验证了欧拉-欧拉模型对于多相流动研究的可靠性。进一步研究水体中羽流数对于甲烷气体运移形态和范围的影响规律。在以上基础上将欧拉-欧拉模型耦合水合物分解模型，研究了颗粒中初始水合物的质量分数和雷诺数对气体运移范围和分解过程的影响规律。研究加深了对水合物相变效应对甲烷运移影响的理解，为甲烷泄漏影响预测提供了依据。
本论文构建了含相变的气液固三相流动模型，提出了对流换热条件下分解时间经验公式和阶跃分层环境下气泡羽流结构发展规律，揭示了水合物分解与多相流动的相互作用规律，进而得到了多物理场耦合效应对泄漏甲烷运移过程的影响规律。研究成果可为深海天然气水合物开发带来的环境效应评估提供理论依据，对深海能源的可持续开发方案的制定提供参考。</p