IMECH-IR

微重力下基于流体相场的质子交换膜电解槽气泡行为与能量效率仿真

2026-07-17T07:53:39Z

Title: 微重力下基于流体相场的质子交换膜电解槽气泡行为与能量效率仿真 Authors: 沈鑫华; 王进; 蓝鼎; 翟思涵; 陈浩 Description: 质子交换膜电解槽是一种前景广阔的清洁可再生能源制氢技术装置, 也是空间站环控生保系统的关键技术之一. 目前, 空间站中质子交换膜电解槽存在因气泡行为导致的能量效率下降, 因此质子交换膜电解槽内部的气泡行为研究极为重要. 提出一种基于电化学模型耦合流体相场模型的多物理场模型, 对比研究常重力环境与微重力环境下质子交换膜电解槽的气泡行为及其对能量效率的影响, 针对性解决因气泡行为导致的能量效率下降. 结果表明, 在微重力环境下, 入口水流速从0.1 m·s –1 增加至0.5 m·s –1 时, 下壁气泡覆盖率升高9.5%, 在流道深度为0.8 mm时, 易形成扁平状气泡流覆盖流道下壁. 在常重力环境下, 流道深度较低时易形成薄膜流堵塞流道, 进而解决了质子交换膜水电解能量效率波动、长期工作稳定性不足以及气泡管理困难等问题.

三维点阵对烧蚀材料剪切性能的增强机理

2026-07-17T07:53:39Z

Title: 三维点阵对烧蚀材料剪切性能的增强机理 Authors: 杨佩新; 袁武; 宋宏伟 Description: 硅橡胶基烧蚀材料高温抗剪能力弱, 高速气流冲刷下易产生块状剥蚀. 本工作提出了一种利用高硅氧/酚醛金字塔点阵增强硅橡胶基烧蚀材料高温剪切及抗剥蚀性能的方法. 开展了不同温度下的剪切实验, 建立了强度退化理论模型, 明确了点阵增强烧蚀材料的多阶段剪切强度演变过程, 获得了点阵的高温强度增强机理及其抗剥蚀性能的提升机制. 结果表明, 在1000℃以内, 点阵均能显著提升材料整体剪切承载能力, 增强效果在757℃达到峰值, 强度为未增强时的8.4倍. 三维点阵结构可通过增强炭化层剪切强度抑制剥落, 并提升抗烧蚀能力.

强耦合激光热力破坏效应

2026-07-17T07:53:38Z

Title: 强耦合激光热力破坏效应 Authors: 王睿星; 袁武; 马特; 邱诚; 杜文琦; 张天怡; 王高洁; 宋宏伟; 黄晨光 Description: 随着高能激光技术的迅猛发展, 激光破坏效应的应用场景将面向更高速的工程结构, 高能激光、高速气流环境、材料与结构之间的耦合效应更为强烈, 从而显著影响激光的热与力学破坏行为, 甚至诱导产生新的损伤机理与破坏现象. 此外, 激光辐照的热−力耦合、不同体制激光复合加载的热力−冲击−烧蚀耦合等问题, 使破坏效应的耦合行为更加复杂. 强耦合激光热力破坏效应研究面向相关领域最新发展需要, 涉及光学、传热学、材料科学、固体力学及流体力学等多学科交叉, 是激光武器效应评估、先进激光制造以及航天器防护等高新技术领域中的共性基础科学问题. 本文系统梳理了近年来国内外学者在该研究方向上的研究进展, 从强耦合条件下激光热力破坏的新现象与新机理、激光诱导复合材料多尺度热力烧蚀机理与模型、复杂载荷与环境下激光热力破坏相似准则、多场耦合数值计算方法、地面模拟试验方法与多场原位测量技术、激光防护与加固技术、激光智能感知与毁伤评估等几个方面进行综述. 最后, 结合当前发展动态, 对本领域未来研究进行了展望. 本文旨在为强耦合激光热力破坏效应的机理研究和工程应用提供理论支撑与技术参考.

连续分层环境中颗粒羽流的下沉深度及横向侵入演化规律

2026-07-17T07:53:38Z

Title: 连续分层环境中颗粒羽流的下沉深度及横向侵入演化规律 Authors: 张岩; 张丽; 张旭辉; 梁前勇; 尉建功; 乔继延; 鲁晓兵 Description: 深海采矿过程中释放的尾矿水含有大量颗粒物质, 进入海洋后形成颗粒羽流, 对海洋生态产生显著影响. 为探究分层环境中颗粒羽流的输运特性, 本文采用深海沉积物与盐水混合模拟尾矿排放, 在线性密度分层的水槽中进行注入实验, 分析羽流的演化过程. 结果表明, 在浮力主导条件下, 颗粒羽流输运满足几何相似律, 羽流最大下沉深度存在自相似解. 此外, 颗粒羽流与单相羽流初始运动过程类似, 在中性浮力层位置形成横向侵入层, 但颗粒逐渐沉降会导致剩余流体侵入深度抬升. 通过系列实验, 提出了羽流最终侵入深度与入口流体浮力占比的关系式, 揭示了羽流从坍塌流态向惯性主导流态的转变机制, 获得了羽流横向侵入扩展的幂律关系.

基于数据同化的高速风洞自由流修正算法及验证

2026-07-17T07:53:37Z

Title: 基于数据同化的高速风洞自由流修正算法及验证 Authors: 陈俊锟; 汪球; 喻江; 赵伟; 高亮杰; 钱战森 Description: 高超声速风洞的自由来流参数面临着准确测量难度大的挑战, 并且其准确度会制约对来流敏感的数值流场计算精度. 基于传统集合卡尔曼滤波(ensemble Kalman filter, EnKF)数据同化算法, 以风洞自由来流参数为研究对象, 提出了面向高速风洞的热力学正则集合卡尔曼滤波(thermodynamics-regularized ensemble Kalman filter, TEnKF)数据同化算法. 利用高超声速风洞中实验测量的稀疏壁面物理量和先验样本数值流场, TEnKF在目标函数和更新步中额外引入来流滞止参数作为正则项, 约束后验样本来流参数可张成的物理子空间, 以应对EnKF存在的不适定性问题. 通过在不同类型的高超声速风洞中开展的案例修正表明, TEnKF的性能优于EnKF, 对应重构流场与实验误差更小, 修正来流结果保证了与先验滞止参数的相容性. 通过敏感性和修正过程分析, 发现热力学正则改善了来流−壁面敏感性不均衡对修正结果的影响, 同时为卡尔曼滤波器间接引入了阻尼项, 修正过程更加稳定且利于收敛, 同时避免来流参数之间的修正独立问题. 因此, TEnKF能够为高速风洞来流提供更加可靠的修正算法, 提高数值预测的精度并降低不确定性.

海洋工程力学中的若干前沿问题

2026-07-17T07:53:37Z

Title: 海洋工程力学中的若干前沿问题 Authors: 李家春; 聂冰川; 林瀚瀚 Description: 本文综述海洋工程领域中与自由面/界面相关的若干前沿问题的研究现状与最新进展. 主要内容包括热带气旋 (tropical cyclone, TC) 引发的巨浪、液化天然气 (liquefied natural gas, LNG) 晃荡、空化与气泡动力学、涡激运动 (vortex-induced motion, VIM) 与涡激振动 (vortex-induced vibration, VIV). 重点关注上述方向的最新研究进展与所面临的挑战. 过去70年研究成果显示, 人类正在开启新一轮海洋探索活动. 未来将出现从海面向深海拓展、从低中纬度向极地延伸, 从化石能源向可再生能源转型的明显趋势.

低落压比超音速分离线喷管推力矢量特性研究

2026-07-17T07:53:36Z

Title: 低落压比超音速分离线喷管推力矢量特性研究 Authors: 赵书辉; 陈祖佑; 关奔; 王革; 罗喜胜 Description: 对超音速分离线喷管在过膨胀状态下的流动与推力特性开展数值研究, 揭示喷管在不同摆角下的典型流动特征与工作模态, 探讨工作模态与推力矢量性能之间的内在联系. 研究发现, 喷管在过膨胀状态下的推力矢量效果取决于流动分离与几何偏转的共同作用, 根据分离线下游的大尺度分离区是否存在, 喷管表现出“开放”与“闭合”两种典型工作模态. 开放模态下的大尺度分离区对喷管主流偏转产生抑制作用, 对喷管推力矢量性能造成损失. 当喷管由开放模态进入闭合模态后, 喷管内的全局马赫反射(oMR)波系和分离流动向全局规则反射(oRR)波系和附着流动转变, 侧向推力随喷管落压比(NPR)增大而单调增长, 推力矢量效率趋于稳定. 由于喷管侧向推力对工作模态高度敏感, 因此喷管推力矢量性能随NPR增大而呈现分段变化特征. 在传统喷管理论基础上, 结合出口截面流动参数对喷管侧向推力进行量化, 从而实现对侧向推力较为准确的公式化表述, 为喷管推力矢量性能提供物理意义清晰的评估方法.

高温气体动力学研究的理论、技术及其实践

2026-07-17T07:53:36Z

Title: 高温气体动力学研究的理论、技术及其实践 Authors: 姜宗林 Description: 当高温引起了流动介质物性变化的时候, 介质微团的物理化学变化显著地改变了介质流动的宏观规律, 超出了气体动力学基本假设和研究范畴, 高温气体动力学诞生了. 当航空航天技术不断拓展人类活动空间的时候, 在探索下一代空天飞行核心技术的过程中, 高温气体动力学发展了. 高温气体动力学是技术科学发展的典范, 在应用驱动学科机制的作用下, 引领着气体动力学的发展与创新. 本文选择了高温气体动力学的四个主要研究领域, 进行了综述和分析, 期望能够助力高温气体流动的学科发展. 第一部分是关于高超声速地面试验装置和测量技术, 重点介绍了三种典型高焓激波风洞, 它们的应用已经能够产生和测量的气流速度达到了1.5 ~ 10 km/s的范围, 可以模拟20 ~ 100 km的飞行高度. 先进科学试验装置对于学科前沿的拓展和流体物理新现象的发现是非常重要的, 该研究领域的进展也凸显了这个道理. 第二部分介绍了高超声速气体流动的理论与实验, 包括物理数学模型的建立、计算方法的发展和实验观测. 到目前为止, 高温气体流动物理模型的发展远低预期, 局限在早期物理模型的应用和改进; 计算方法发展迅速, 能够计算的流动现象越来越多, 准确度也越来越高; 地面实验观测研究进展可期, 表现在一些复现高超声速飞行条件下的大模型实验, 揭示的气动物理现象与飞行试验数据一致性良好. 第三部分是关于超声速燃烧和超燃冲压发动机. 这是一个已经持续热门几十年的前沿领域, 虽然理论和技术研究进展巨大、飞行试验硕果累累, 但是超燃冲压发动机技术依然难以满足工程需求, 超声速燃烧理论依然难以解决超燃冲压发动机研发遇到的问题. 所以, 超声速燃烧和超燃冲压发动机研究都亟需理论创新和技术突破. 第四部分是关于爆轰物理和斜爆轰发动机. 斜爆轰发动机与超燃冲压发动机概念皆生于同一时代, 但它仅在最近20多年才得到重新关注. 爆轰理论和斜爆轰研究都有了创新性突破, 斜爆轰发动机设计方法和风洞实验技术也有了长足的进展. 斜爆轰冲压发动机利用了自然界燃烧速度最快、热效率最高、进气压缩损失最小的增压燃烧现象作为其热力循环, 有着独特的优势. 最后, 论文对于上述研究领域的理论与技术及其实践进行了总结和展望, 期望能够给该学科发展提供一些有益的启示.

大型储液结构地震响应与失效模式及其影响因素研究

2026-07-17T07:53:35Z

Title: 大型储液结构地震响应与失效模式及其影响因素研究 Authors: 王晓旭; 许成顺; 曹鹏; 豆鹏飞; 李晶 Description: 随着城市防洪防涝需求不断增加，大型储液结构的重要性日益凸显。本研究基于计算流体力学与拉格朗日 - 欧拉法（CFD-ALE），建立了考虑高度非线性流 - 固耦合效应的钢筋混凝土大型储液结构三维数值分析模型，重点揭示了地震作用下大型储液结构流体空间晃动效应与失效模式，研究了储液深度、支撑柱间隔对结构地震响应的影响规律。结果表明：地震作用下流体压力剧烈上升，且空间分布差异显著，结构顶、底板角隅处承受流体压力最大，流体剧烈晃动会使结构各部位地震响应相差较大，结构侧壁和顶板相交位置、侧壁角落处以及支撑柱与顶板相交位置会出现明显的高应力应变集中，结构侧壁与顶板混凝土可能会因应变过大而破坏，结构支撑柱底部应变过大且易受剪破坏。储液深度和支撑柱间隔对流体压力和液面晃动高度影响显著，储液深度越深以及支撑柱间隔越大，支撑柱应变峰值、墙壁与顶板应变峰值越大。

大型储液结构地震响应及流体晃动空间效应分析

2026-07-17T05:55:04Z

Title: 大型储液结构地震响应及流体晃动空间效应分析 Authors: 王晓旭; 许成顺; 曹鹏; 豆鹏飞; 李晶 Description:

随着海绵城市建设、城市防洪防涝以及低碳发展需求的不断增加，调蓄池和清水池和污水处理池等大型储液结构不断涌现，但大多数尚未经历过地震考验。建立了考虑高度非线性流-固耦合效应的100 m×100 m×6 m、50 m×50 m×6 m、30 m×30 m×6 m这3种不同跨度的钢筋混凝土储液结构地震响应三维数值分析模型，重点分析了地震作用下大型储液结构流体空间晃动效应及结构失效模式。研究结果表明，强震作用下，大型储液结构内流体压力空间分布差异显著，结构顶底板角隅处承受流体压力最大，流体剧烈晃动效应会使结构各部位地震响应相差较大，结构侧壁、顶板以及支撑柱与顶板相交位置会出现明显的高应力-应变集中区域，结构侧壁与顶板混凝土可能会因应变过大而破坏，结构支撑柱底部易受剪破坏，且随着结构空间增大，结构内部流体压力、流速、应变和剪应力都会显著增加；卓越频率较低的地震动会使结构产生更大的动力响应，且结构跨度越大，流体空间晃动效应越显著。