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关键词： 速度矢量传感器   皮托管   随动机构   差压受感器   直升机下洗流场   结构设计优化  

摘要： 直升机可以做悬停、前后、上下、左右全方向的飞行,但是常规的空速管由于结构固定不动,只能测量前飞一个方向上的速度,不能满足直升机的测速需要。当直升机飞行速度较低时,空速管处于旋翼的下洗气流中,所受干扰很大导致测速不准确,既影响直升机飞行包线的使用,也威胁直升机的飞行安全。因此,有必要设计一种随动式速度矢量传感器用于直升机全向及低速飞行时测速。其总静压受感器部分能够跟随来流转动实现精准测速,差压受感器可以解算飞行姿态,从而得到直升机飞行的速度矢量。具体研究内容和成果如下: (1)基于伯努利原理,提出了全新的随动式速度矢量传感器总体设计方案,研究了总静压受感器总压开口形式、静压孔位置等对总静压测量的影响,并通过数值计算方法优化了总静压受感器的结构设计参数。 (2)设计并优化了随动式速度传感器的随动机构,包括三层关节轴承转动元件和后掠十字形风标驱动机构,用于实现传感器及时准确跟随来流转动的功能。 (3)设计了差压受感器并仿真分析,优化了差压孔的性能,确定了整个传感器的防水设计、防除冰设计、支臂和接管嘴设计的方案。 (4)完成了直升机数字建模工作,通过流场仿真确定了随动式速度矢量传感器在机身上的最优安装位置,得到了部分旋翼下洗流的分布规律。 (5)通过仿真和试验两种方法,验证了整个随动式速度矢量传感器装配和制造后的性能均符合设计时的要求。

关键词： 轮轨滚动接触   安定图   势函数   疲劳寿命预测   材料响应  

摘要： 由于列车轴重的增加和运营速度的加快,在列车运营过程中出现了轮轨滚动接触疲劳损伤问题,服役钢轨频发钢轨疲劳裂纹,导致大量钢轨频繁更换,给国家带来了巨大的经济损失,因此有必要对服役钢轨的疲劳损伤问题进行理论和仿真研究。Johnson教授提出的安定图可以直观快速地对比不同运行工况下轮轨的安全性,并且定性分析轮轨滚动接触疲劳损伤问题的发生机理及可能性。本文对现有安定图的不足之处进行改进扩展,提出了更为适合铁路轨道系统实际运行情况的安定图,并建立了一种基于安定图和势函数的轮轨滚动接触疲劳寿命快速预测方法。主要的研究内容和结论如下:(1)详细介绍了轮轨滚动接触疲劳的国内外研究现状,主要从工程应用和科学研究两个方面对疲劳寿命预测方法及模型进行了详细阐述,也明确了研究轮轨滚动接触疲劳损伤问题的意义,并选择了本文所需的疲劳寿命预测模型及方法。(2)介绍了本文中所用的轮轨接触理论方法及其建立的数值模型,其中包括轮轨界面滚动接触力学行为求解方法,轮轨接触体内应力-应变场的求解方法,建立了二维钢轨局部有限元模型及所用的材料循环本构模型。(3)基于现有安定图的不足之处提出了更加适合铁路轨道系统实际情况的安定图,引入饱和度的概念以考虑任意蠕滑状态,作出了摩擦系数f=0.2和f=0.4下的安定图。从摩擦系数、最大接触压力和饱和度三个方面对工况计算结果进行了应力应变分析,发现了摩擦系数f=0.2和f=0.4的情况下钢轨局部材料响应均会显著影响钢轨残余应力、应变及表面位移的变化;最大接触压力对钢轨表面薄层材料的残余应变有显著影响;饱和度会影响残余应力和残余应变最大值的产生位置、钢轨表面薄层材料的残余应变大小以及钢轨表面纵向位移变化情况。(4)提出了一种基于安定图和势函数的轮轨滚动接触疲劳寿命快速预测方法,利用安定图确定钢轨局部材料响应,进而确定与之对应的疲劳寿命预测模型,随后采用基于势函数的应力-应变场求解方法对轮轨接触条件下钢轨体内的应力应变进行计算,并结合临界平面法得到疲劳损伤参量最大值及疲劳寿命预测值。在准确率和预测耗时上对所提出的预测方法与有限元法的疲劳寿命预测结果进行了对比分析。钢轨局部材料响应会显著影响轮轨接触疲劳损伤参量最大值和疲劳寿命预测值;在摩擦系数、最大接触压力和饱和度的影响下,两种方法对疲劳寿命的预测结果比较吻合,误差率在15%以内;在预测耗时对比上,所提出的预测方法耗时较少,与有限元法相差3-4个数量级,将计算成本由数小时降低至数秒,极大地提高了计算效率。

关键词： 异常检测   流聚类   核函数   核密度估计   自编码器   习惯化  

摘要： 随着通信技术的高速发展,工业物联网被广泛应用于能源、制造、医疗等领域,会产生大规模、高流速、高维度的数据流。工业物联网安全事件频发,问题日益突出,数据流异常检测有助于工业物联网安全技术的发展,是目前热点研究问题。但处理高维数据流的异常检测问题,面临着诸多困难,因此,研究快速可行的高维数据流异常检测方法具有十分重要的意义。流聚类是解决高维数据流异常检测最有效的方法之一,因其动态的增量特性和聚类结果的精确性,已成为高维数据流异常检测的研究热点。当前已有许多流聚类进行数据流异常检测的相关研究,但仍然存在以下三个方面的问题:第一,许多流聚类中的梗概(Sketch)数据结构无法避免高维数据流中异常点的干扰;第二,许多算法无法快速处理非线性高维数据流;第三,针对数据流中的隐性异常缺乏稳定高效的解决方案。因此,如何高效快速的进行高维数据流异常检测已经成为了一个巨大的挑战性问题。针对以上问题,本文分析了各类数据流异常检测算法的优缺点,在欧拉核函数的基础上,提出了一种基于共享近邻密度的投影微聚类结构;在高斯核密度估计器的基础上,结合堆叠习惯化自编码器进行快速异常检测;基于分布式计算环境,设计并实现了一个隐性异常检测分析系统,最后通过充分的对比实验,证明了本文方法的优越性,本文的主要贡献如下:(1)针对高维数据流异常点干扰问题,结合欧拉核函数和共享近邻距离生成共享近邻密度,构建投影微聚类结构,该结构可以有效的区分不同类别的微聚类,降低异常点的敏感性,提高流聚类的纯度。(2)针对非线性高维数据流异常检测的效率问题,使用堆叠习惯化自编码器对数据进行降维,有效提取了数据之间的非线性关系,利用数据流的分布特性,结合微聚类和核密度估计器,构建异常检测因子对数据流进行快速异常检测。(3)针对隐性异常稀疏、不稳定等特点,以日志流为出发点,在分布式高可用的思想下,使用不同的日志规则对日志流进行矢量化预处理,并使用自适应异常检测算法进行隐性异常检测,获得了较高的检测精度和系统稳定性。

关键词： 对流扩散方程   涡量流函数方程   谱方法   格林函数   积分方程  

摘要： 对流扩散方程和涡量流函数方程是流体力学中常用的两类方程,对流扩散方程还广泛应用于传热学、化学和环境科学等领域,涡量流函数方程在研究粘性不可压缩流体的流动时起着重要作用。在实际问题中由于求解区域和边界条件的复杂性,很难求得这两类方程的解析解,数值求解便成为一种重要的方法,因此构造高效和稳定的数值方法有着重要的应用价值。基于谱方法的思想和积分方程理论,本文提出了一种改进的谱方法,用于数值求解对流扩散方程和涡量流函数方程。在应用改进谱方法求解稳态对流扩散方程时,对第一类齐次边界条件,可通过变量代换消去对流项中的一阶导数项。然后引入关于格林函数的辅助边值问题,把格林函数和未知函数用正弦级数展开,并求得格林函数表达式。再根据格林函数的性质,把对流扩散方程化为积分方程。最后根据正弦级数的正交性,把含有空间变量和级数系数的积分方程简化为只含有级数系数的积分方程组,求解该方程组就能求得原方程的级数有限和形式的近似解。应用改进谱方法求解了一维、二维稳态对流扩散问题的算例,计算结果表明该方法与有限体积法和QUICK格式相比,有着更高的精度并且不需要网格划分。与积分方程法相比,在保证同样精度的前提下,简化了推导和编程流程。对于非稳态对流扩散问题,方程中不仅有空间变量,还出现了时间变量。可用和前面介绍的稳态情形一样的方法离散空间变量,把关于空间和时间变量的积分方程简化为只关于时间变量的积分方程组。用四阶龙格-库塔法求解这一积分方程组,得到用级数有限和形式表示的原问题的近似解。最后用一维、二维非稳态对流扩散问题的算例检验了改进的谱方法,讨论了 Peclet数、截断项数、时间步长、计算时间以及不同源项对计算误差的影响。对于非线性涡量流函数方程,先引入关于格林函数的辅助初边值问题,并用格林函数的性质将涡量流函数方程转化为积分方程。然后对于周期边界条件和第一类齐次边界条件下的未知函数和格林函数,分别用傅里叶级数和正弦级数展开。再利用级数的正交性将积分方程转化成只含时间变量的积分方程组,用四阶龙格-库塔法求解该方程组,得到原方程的级数有限和形式的近似解。最后用不同边界条件下的算例检验了改进谱方法,发现其计算结果和解析解吻合得很好。

关键词： 核主泵   导叶安放角变化规律   水力性能   熵产理论   流动损失   惰转性能特性   涡动力特性  

摘要： 核电以安全、高效和经济等优点已越来越受到世界各国的关注,核主泵作为核电站冷却剂循环系统中最为关键的部件之一,在保障核电的安全发展方面发挥着重要的作用。导叶是核主泵中重要的过流部件,其安放角沿流线变化的合理性直接影响着核主泵的性能,对提高核主泵高效性和稳定性至关重要。本文以某一混流式核主泵为研究对象,对核主泵进行了不同流量工况和断电惰转工况的数值模拟计算,研究分析了导叶安放角变化规律对核主泵性能特性的影响,主要研究内容和成果如下:(1)通过三维建模软件和水力设计软件建立了不同导叶安放角变化规律的核主泵流体域模型,利用ICEM和Turbogrid对流体域模型进行六面体结构化网格划分,基于SST k-ω湍流模型和绝热无滑移壁面条件对核主泵进行定常和非定常数值模拟计算。(2)结合熵产理论对不同导叶的核主泵进行水力性能分析。结果表明:在设计流量和大流量工况下,导叶安放角“下凹”的DY4(模型泵代号,下同)扬程和效率最高,最佳效率出现在设计流量,相比安放角“上凸”程度较大的DY1效率提升3.68%;DY4压力和速度流线分布均匀且变化平稳;导叶和蜗壳内流动损失占比最低,流动损失分布较均匀,流动损失系数高幅值区域面积较小。在小流量工况下,安放角“下凹”程度较大的DY5扬程和效率最高,最高效率出现在0.8Q,相比DY4的最佳效率值提升1.69%。(3)对比分析了不同导叶安放角变化规律的核主泵模型在惰转过程中的外特性和惰转性能特性,并结合Q准则对惰转过程中的涡动力学特性进行了研究。结果表明:随着惰转的进行,不同模型泵扬程和转矩下降速率逐渐减小,其中DY4扬程最高,转矩最小,而DY5扬程下降速率最大,转矩最大。在不同惰转阶段,DY5叶轮所受径向力相对较小,但其导叶径向力幅值最大;在惰转初期,DY4径向力下降幅值最大。在惰转过程中,不同导叶的模型泵叶轮叶片载荷差值逐渐减小,安放角变化规律呈“下凹”的DY4和DY5叶轮叶片载荷在流线相对位置为0.6之后明显高于其他模型泵;DY5导叶叶片载荷波动幅值最高,且随惰转的发展不断减小。随着惰转的进行,不同导叶安放角变化规律的模型泵叶轮和导叶内的涡结构和漩涡强度有所减小,但在T=1s时涡结构均有所增加,强涡区域面积增大。导叶流道内涡结构较叶轮流道更复杂,随着惰转的发展不同模型泵涡结构面积和强度不断减小,其中,DY4泵内涡结构强度和面积最小,DY5最大。

关键词： Ti-Zr-Hf-Si   二元合金   三元合金   四元合金   表面张力   实验测量   Butler方程  

摘要： 通过反应熔渗（Reactive melt infiltration,RMI）将高温合金熔体引入C/C复合材料中,并和预先沉积的基体材料发生反应从而形成超高温陶瓷是提高C/C复合材料耐烧蚀性能的重要方法之一。当前,选取Hf、Zr、Ti等过渡族金属与Si等组成的多元合金,通过RMI工艺对C/C复合材料进行改性已逐渐成为高温复合材料研究领域的新趋势。表面张力作为合金熔体一项基本的热物理参数,对合金熔体向C/C复合材料微孔中的渗透具有重要影响。因此,本工作采用悬滴法测量上述多元合金熔体1773-2173 K的表面张力,并运用Butler理论模型计算合金熔体表面张力。通过实验测量值与计算值的比对,获得了合金熔体表面张力随组分和温度的变化规律,主要结论如下:（1）二元（Ti-Zr、Ti-Hf、Si-Ti、Si-Zr和Si-Hf）和三元（Ti-Zr-Hf、Si-Ti-Zr、Si-Ti-Hf和Si-Zr-Hf）合金熔体表面张力测量值与计算值之间的差异范围仅为0.3%-4.8%,实验测量值与理论计算值具有非常好的契合度,表明Butler模型可适用于高熔点过渡族金属二元和三元体系合金熔体表面张力的计算;（2）Ti-Zr、Ti-Hf二元及Ti-Zr-Hf三元合金熔体的表面张力会随着Zr或Hf含量的增加而呈现类似线性增加的变化趋势;而含Si二元和三元合金熔体的表面张力会随着Ti、Zr或Hf含量的增加而呈现出先增加后减少的规律;（3）Ti0.142Hf0.189Zr0.568Si0.1四元合金熔体在1873 K、1973 K和2073 K的表面张力分别为1538、1511和1496 m N/m;而在同一温度下,Ti-Zr-Hf-Si四元合金熔体表面张力随着Si含量的增加而减少,在2073 K,Ti:Hf:Zr:Si=3:4:12:,当Si的摩尔分数（）从0.05增加到0.15时,表面张力从1515 m N/m减少到1486 m N/m;（4）对于可形成无限固溶体的合金体系（Ti,Zr和Hf）,当合金熔体中加入高表面张力的Zr或Hf组分时,合金熔体表面张力会随着其含量的增加呈现出类线性增加的趋势;而对于含Si合金体系,由于合金熔体中存在短程有序的Si-Ti、Si-Zr或Si-Hf等金属间化合物的原子团簇从而使表面张力降低,最终导致其合金熔体表面张力随成分的变化呈非线性关系;（5）在高真空度的表面张力测试条件下,低熔点组元（Si或Ti）的挥发会导致合金熔体成分发生变化,即高熔点（高表面张力）组元含量相对增加,从而导致合金熔体表面张力轻微增加;而引入的少量C杂质及其在熔体表面的偏析会降低表面张力;本研究中合金熔体表面张力实验值与计算值的差异主要源于上述两种因素共同作用的结果。图63幅,表17个,参考文献156篇

关键词： 剪切稀化流体   特征时间   液相黏度比   气泡动力学   非稳态运动  

摘要： 非牛顿流体中气泡运动广泛存在于自然界和工业过程中,气泡的形状、上浮轨迹以及终端速度等水动力学特性在很大程度上会影响气液相间的质量、热量和动量传递效率。剪切稀化流体作为一种最常见的非牛顿流体,由于复杂的流变特性,导致气泡在其中的水动力学特性还没有形成完整的理论体系。因此,深入理解剪切稀化流体中气泡的水动力学特性对进一步提高气液相间的传质传热效率以及指导泡状流设备的工业应用具有重要意义。本文首先采用数值模拟方法,以剪切稀化流体中单气泡为研究对象,建立了二维轴对称模型,研究了不同流变指数和不同表面张力水平下,特征时间对气泡水动力学特性的影响。结果发现,流变指数越小或表面张力越小,特征时间的增大对气泡变形和尾涡的影响则越大。在相同的流变指数和表面张力,特征时间越大,气泡的终端速度越大,导致气泡周围高剪切速率区和低表观黏度区的范围也越宽。其次,开展了液相黏度比对气泡水动力学特性影响的研究。在二维轴对称模型的基础上,建立了三维模型。发现当液相黏度比趋于无穷大时,气泡表现出两种非稳态运动,第一种是气泡形状基本不变(在半椭球形与碟形之间周期振荡)、上浮轨迹为直线,但纵横比周期性变化;第二种是泡形状在球帽形与半球帽形之间周期振荡,上浮轨迹向一侧偏转。并对这两种非稳态气泡变形过程进行了详细的研究,给出了相关的机理解释。接着,开展了对剪切稀化流体中两种高度非稳态气泡水动力学特性的研究,定义为第三、第四两种非稳态气泡。对于第三种气泡出现中心破碎现象,在径向膨胀后表现为一个单环形,但上浮轨迹始终为直线的非稳态气泡;主要是由于表面张力不足以抵消射流强度导致的;对于第四种气泡形状呈现出剧烈的三维特性,上浮轨迹为“之”字形非稳态气泡,主要是由于气泡上浮过程尾部出现了剧烈的涡脱落,涡脱落导致气泡上浮过程产生了升力,在升力的作用下,气泡呈现出之字形上浮轨迹。最后,实验研究了不同剪切稀化溶液内气泡上浮过程的变形、上浮轨迹以及终端速度的变化,对模拟结果给予补充和验证。

关键词： 松辽盆地   钱家店砂岩型铀矿   成岩成矿流体特征   矿床成因  

摘要： 钱家店铀矿床位于松辽盆地开鲁凹陷的东北部,呈NNE～NE向狭条带状展布。盆地基底岩性主要为晚古生代浅变质岩,侏罗系酸性火山岩、花岗岩;盖层由上白垩统青山口组、姚家组及嫩江组构成。其中姚家组是主要赋矿层位,岩性主要为细粒灰白色长石岩屑砂岩。本文以钱家店铀矿床为研究对象,通过开展系统的流体包裹体研究工作,查明成岩成矿流体特征,探讨油气运移与铀成矿的关系,为深刻揭示该类矿床成因提供必要依据。通过含矿砂岩薄片鉴定、阴极发光、染色以及扫描电镜实验,划分含矿姚家组砂岩成岩作用为同生成岩阶段、早成岩阶段、中成岩阶段、晚成岩阶段、表生成岩阶段,构建成岩演化序列,明确石英加大边中的流体包裹体可反映成岩流体特征。流体包裹体岩相学和显微测温结果表明,石英加大边中流体包裹体以气液两相包裹体为主,均一温度变化范围为60.5～115℃,盐度变化范围为4.1～8.1 wt.%Na Cl eqv.,表明成岩流体是一种低温低盐度流体。综合本文电子探针实验及前人大量实验研究结果,于硅质胶结物及碳酸盐胶结物中均发现铀矿物,表明其为成矿期产物,故其内流体包裹体能反映成矿流体特征。流体包裹体岩相学和显微测温结果表明:硅质胶结物及碳酸盐胶结物中的流体包裹体以气液两相包裹体为主,均一温度变化范围为105～161.4℃,流体盐度变化范围为1.7～6.1 wt.%Na Cl eqv.,表明成矿流体为低温低盐度流体,与成岩期流体相比,温度高(40℃±),而盐度略低(2 wt.%Na Cl eqv.±),它们是性质不同的两种流体。含矿砂岩中有机包裹体发育,主要产于石英加大边、颗粒溶蚀孔中、颗粒裂隙中以及胶结物中,均一温度介于60～130℃之间。通过分析油气运移与铀成矿的时间关系以及有机包裹体产状与铀矿物的产状关系,认为油气初次运移的时间比铀成矿的时间早。成矿流体温度、盐度与铀矿化强度空间关系对比分析表明,流体包裹体温度盐度变化并不是影响铀矿物沉淀的直接因素;而含矿砂岩的岩相学特征以及铀矿物赋存状态表明,后期热液流体的叠加改造、黏土矿物的吸附、黄铁矿的还原可能是引起铀矿物沉淀的主要因素。

关键词： 扁平微槽道热管   表面张力   流动模型   传热模型   毛细极限   强化传热   充液率  

摘要： 强化传热同时减小热管理元件的尺寸在电子器件冷却等领域至关重要,扁平微槽道热管由于其传热效率高、加工简便和结构紧凑等优点得到广泛关注。通过理论建模的方法可以经济高效地对热管进行性能研究,但目前文献中对热管的理论模型研究还存在一些不足,如较少考虑液堵段,较少考虑气相温度变化等,这均会影响模型的精度。本文将针对扁平微槽道热管（flat micro-grooved heat pipe,FMGHP）建立流动传热模型并设计实验对其进行验证,最后借助所建立模型对热管进行性能强化研究。首先建立了FMGHP的流动模型和传热模型,流动模型基于质量守恒、动量守恒和Young-Laplace方程,给出了液相动量方程中毛细力项和相变动量项的物理意义,通过考虑接触角变化建立了液堵段模型,借助四阶龙格库塔方法求解。传热模型为节点热阻模型,考虑了气相温度变化的影响,提出了流动传热模型耦合求解算法来计算热管表面温度分布。随后利用蒸发排气法灌装了充液率分别为27.82%、30.06%和36.69%的铝-丙酮FMGHP,搭建热管传热性能实验台测量其在不同加热功率下的壁面温度分布,并将测量结果与计算结果进行对比。最后借助所建立的模型计算了热管的毛细极限,同时考虑了由蒸干导致的蒸发极限和由液堵导致的冷凝极限,给出了最佳充液率的计算方法,并探究了槽道几何结构参数对毛细极限和最佳充液率的影响。流动模型计算结果表明,毛细力项对计算结果影响较大,相变动量项的影响相对较小,本例中可以忽略,且液堵段的存在拓宽了流动模型在加热功率上的可应用范围。将实验测量的表面温度分布与模型耦合求解结果对照,发现考虑气相温度变化的传热模型与实验结果符合较好,最大平均绝对偏差为2.76℃。所建立的铝-丙酮FMGHP灌装装置充液不确定度为±7.71%。通过毛细极限模型的计算,铝-丙酮FMGHP毛细极限为15.20 W,最佳充液率为32.78%,毛细极限随气腔厚度、槽道深度、肋脊高度和槽道倾斜角的增加而增加,最佳充液率对槽道结构变化不敏感,基本在33%上下浮动。综上,本文利用理论建模和实验验证的方法探究了铝-丙酮FMGHP的流动传热性能并对其进行了强化传热研究,本文所得到的结论与结果对热管内部气液两相传输机理具有一定理论价值,对热管的工程应用设计也具有理论指导意义。

关键词： Surface tension  

摘要： A method is proposed to evaluate surface tension for axisymmetric meniscus in gravity. The method requires positional coordinates and tangential angles of arbitrary two points on liquid surface. A theory of the liquid in gravity is used to derive a differential equation. All of the equations are normalized by a parameter determined from the gravity, the density, and the surface tension of the liquid. Numerical calculation is carried out to show that the present model expresses various kinds of axisymmetric meniscus. The present method is proposed based on the theory and investigated by the experiment using pure water with a borosilicate glass rod. The positional coordinates and the tangential angle of the surface points are obtained from a photograph of the meniscus. The method shows a successful evaluation of the surface tension. The present method is compared with conventional methods and discussed from a view point of minimum information required to evaluate the surface tension. It is expressed that the Hutzler's method is a special case of the previous method and the previous method is a special case of the present method. The present method is suggested useful in various meniscus tests, such as sessile drop tests, pendant drop tests, Wilhelmy rod tests, wetting balance tests, meniscograph tests, etc., since it requires only information on meniscus shape, i.e., the position and the angle of arbitrary two point on it. © 2022 Japan Welding Society. All rights reserved.