冰粒空气射流喷射器结构的关键参数

目前在冰粒射流表面处理领域普遍存在冰粒易粘结和堵塞等问题,严重影响表面处理效率。基于射流泵基本结构,提出冰粒即时制备和利用的冰粒空气射流表面处理技术,可解决冰粒粘结堵塞问题。为实现冰粒的高效利用和冰粒空气射流的高速喷射,研制冰粒引射和加速一体化喷射器结构。系统性研究喷射器工作喷嘴位置(L_(d))、膨胀比(n)和加速喷嘴直径比(D_(n))、长径比(L_(n))对冰粒引射能力和加速的影响,以冰粒冲击动能为综合评判指标,确定喷射器结构参数,并进行表面处理试验验证。研究结果表明:在2 MPa气压下,喷射器喷嘴参数为n=1.5,D_(n)=4.0,L_(d)=4,L_(n)=0 mm时,可以充分引射加速冰粒。该结构参数下进行铝合金板脱漆试验,可获得较大的脱漆半径并使铝合金板表面更光滑,铝合金表面粗糙度由3.194±0.489μm变为1.156±0.136μm。冰粒的即时制备和利用解决了冰粒空气射流技术工程应用时存在的冰粒粘结和储存问题,可为材料表面处理领域提供一种新的技术方法。

基于毫米波云雷达的两次冰粒过程对比分析

利用Ka波段毫米波雷达、风廓线雷达资料和再分析数据,对大兴机场两次出现冰粒的降水天气过程进行了对比分析。结果表明:(1)环流形势都是高空槽过境,中层有西南急流且水汽充沛,但近地层的大气环境差异较大。(2)两次过程云顶高度超过-10℃线高度,是冰相融化机制,大气垂直环境并非都为“冷—暖—冷”的特点,也存在上冷下暖的情况。(3)降水粒子的非单一性造成线性退极化比L dr在0℃层以下的值不仅大于非冰粒阶段,更远大于0℃层之上,其特征不受降水强度影响。(4)反射率因子表现为0℃层及以下强度明显强于0℃层之上,主要由降水强度引起变化,其特征和粒子相态相关性较小。(5)两次过程中粒子的下落速度和速度谱宽特征呈相反趋势,在冰粒阶段其特征都处于雨雪间过渡数值的范围。同时风廓线雷达的冰粒阶段垂直速度特征也和毫米波雷达速度特征相符合。

液氮-雾化水射流制备冰粒技术研究

为了研究液氮低温沉降法制备冰粒磨料的可行性,建立并验证了微小水滴在液氮环境中的凝固模型,为超低温环境下水滴的凝固时间提供了理论依据;针对换热流程结构对冰粒性能的影响问题,搭建了冰粒制备系统,设计了平行顺流式、平行逆流式和T型混流式3种水-液氮双雾化制冰结构,并开展了室内试验。结果表明:T型混流式水-液氮双雾化结构的制冰效果最佳,可在水-液氮雾化流量比为1:2时,制备出平均粒径为146.1μm、温度为-89.8℃、莫氏硬度约为4、黏性力几乎为0的冰粒磨料。研究结果可为冰粒射流在表面清洗行业的发展与应用奠定理论基础。

冰粒对船用离心泵压力脉动特性的影响

为研究冰粒对船用离心泵压力脉动的影响,基于CFD数值模拟方法,采用欧拉-拉格朗日模型对不同冰粒体积分数工况下和不同冰粒直径工况下离心泵的压力脉动特性进行研究。通过试验与仿真结果分析发现:叶轮流道各区域的压力脉动随着冰粒体积分数增加而增加,当冰粒体积分数ϕ=0.09时,叶轮中部区域的压力脉动变化最为显著;压力脉动随着冰粒体积分数的增加而增加,蜗壳出口处压力脉动变化趋势表现出不明显的异向性;当冰粒直径d=0.5mm时,叶轮中部区域的压力脉动最大,叶轮出口处的压力脉动随着冰粒直径的增大而增大,叶轮中部区域的压力脉动随着冰粒直径的增加而减小;蜗壳流道处的压力脉动受冰粒直径影响较小,整体表现为随着冰粒直径的增加而增大。

冰粒超高速撞击蜂窝夹层板二次碎片云分布特性分析

为了获得冰粒超高速撞击蜂窝夹芯结构后二次碎片云的轴向分布特性,运用AUTODYN软件进行超高速撞击数值模拟,分析弹丸直径和初速对二次碎片云速度、质量、动能的影响规律。结果表明:二次碎片云的轴向尺寸和径向尺寸与撞击初速和冰粒直径呈线性关系,基于量纲分析得到了碎片云长度和直径的经验计算公式;碎片云的速度随轴向位置近似线性增加,但冰粒直径对二次碎片云轴向速度分布的影响更显著;初速低于6 km/s时,大质量碎片分布在碎片云头部区域,初速高于6 km/s时,大质量碎片分布在碎片云中部位置,撞击初速恒定时,较大质量碎片分布在碎片云头部位置,且分布规律受冰粒直径的影响较小;碎片云动能与质量具有相似的轴向分布规律。

冰粒射流及冰粒制备

建立了冰粒射流系统。通过所进行的脱漆试验 ,考察了冰粒的流量、温度、粒径等 3个参数对脱漆效果的影响。结果表明 ,冰粒射流可以在较低的喷射压力下达到脱漆功用。同时提出一连续制备冰粒方案 ,并对其进行了理论分析及计算。

冰粒射流抛光技术的发展与研究现状

冰粒射流抛光技术是一种新型抛光技术,其基本原理是以冰粒替代传统磨料,在高速流体的带动下高速冰粒流撞击工件表面,实现对工件表面加工的目的。冰粒射流抛光以无污染、对工件表面损伤小、加工完成后无残留、无需后处理等优点在加工及清洗方面得到了广泛应用。本文从冰粒射流抛光技术的理论基础及其关键技术等方面探究冰粒射流抛光技术的发展及研究现状,并探讨其未来发展方向。

冰粒参数对冰粒射流表面清洗性能的影响

根据射流对固体表面冲击时的流动过程分析,得出了冰粒射流对固体表面的作用不仅仅在冲击区,还包括附壁射流区的结论。由于冰粒是冰粒射流的关键,因而选用与冰粒相关的参数即其温度、粒径和流量作为影响因素,在射流的压力、靶距和横移速度一定的情况下,利用建立的冰粒射流系统进行了脱漆正交试验,目的是通过脱漆试验考察冰粒对其射流表面清洗性能的影响。试验数据的方差分析和直观分析表明:冰粒的温度和流量对冰粒射流表面清洗性能的影响是主要的,而粒径的影响是次要的。

我国冰粒降水天气的观测特征统计分析

研究冰粒降水天气的特征对于更好地认识冰冻天气,提高冰冻天气的预警预报能力有重要意义,但我国相关研究较少。利用2011—2013年中国民航机场的例行观测、特殊观测资料,分析了冰粒降水天气的时空分布、持续时间和地面气象要素等特征。选取2001—2013年50个探空站资料分析了冰粒的垂直环境特征。结果表明:冰粒降水天气集中分布在中纬度的黄河下游、长江中下游地区。冰粒降水发生的次数与其持续时间相关性不强,在少发区,其持续时间也可能较长;冰粒降水天气在1—2月比较常见,单次冰粒降水天气过程的持续时间比较短,一般不超过1 h;我国冰粒天气发生时,同时常会有轻雾或无其他天气情况,一般很少伴随有雪。冰粒的融化参数一般小于冻雨的融化参数,但冰粒冻结参数一般大于冻雨的冻结参数。在冰粒天气发生之前一般温度逐渐降低、气压逐渐升高。冰粒天气发生前后湿度都比较大,发生期间风速变化比较小。

利用实验资料检验扁椭球形雨滴和冰粒后向散射DDA算法

简要介绍了DDA法理论 ,并根据后向散射截面测量实验所选用的扁椭球形粒子 ,运用DDA法计算了它们在微波段 ,电磁波垂直于粒子旋转轴入射情况下的后向散射截面。经过对比 ,DDA法计算结果与实验测量资料一致性较好。同时评价了DDA算法计算的特点 。

冰粒水射流除锈实验研究

应用后混合磨料水射流原理,用冰粒水射流进行了除锈实验研究。冰粒直径为0.5～1 mm,冰粒温度为-15～-50℃,除锈喷嘴内径为1.5 mm,除锈工件为锈蚀的碳素钢板。研究表明,通过水射流引导的冰粒射流,除锈效果明显。试验参数如工作压力、横移速度、喷射靶距、冰粒流量等对除锈效率和除锈比能耗有显著影响。其中,压力是影响除锈效率最重要的因素,在适当牺牲比能耗为代价的前提下,增加压力可提高除锈效率。

冰射流中的冰粒制备技术

在对冰的物理属性及其力学特性进行完整探讨的基础上,对冰射流中所使用冰粒的温度提出维持在-30℃以下的要求.通过球状液滴冻结过程的传热分析,得出影响结冰时间的主要因素有低温环境温度、液滴表面对流换热系数及液滴直径.依据热量传递的守恒性获得液滴结冰时间的理论计算表达式,该式表明,结冰时间与液滴粒径的平方成正比.基于以上理论分析所得结论,设计出合理的冰粒制备装置以制取冰射流中所需要的冰粒.实验表明,常温水在预冷器中被预冷至0℃,通过该实验装置可以连续稳定的制取出-71℃以下、平均粒径为100μm的低温微细冰粒.

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。

液氮-冰粒射流水滴冻结与冲蚀试验研究

为了研究液氮-冰粒射流的形成过程和冲击效果,采用可视化试验研究了水滴凝固过程中内部温度及外部特征变化情况,成功调制出液氮-冰粒射流,并进行靶件冲蚀试验。结果表明:体积为5μL的水滴在液氮中(-196℃)凝固内部温度变化分为预冷、凝固、冷却3个阶段,且水滴凝固速度较快,可在1.5 s内完成凝固;水滴凝固时,首先在外侧形成冰壳,再逐步向内凝结,由于体积变化,会导致冰粒局部破裂,需对冰粒体积进行优选;设计并加工了液氮-冰粒射流试验装置;通过靶件冲蚀试验,证实了液氮-冰粒射流的冲击效果显著好于纯液氮射流,在聚丙烯聚合物上的冲击除漆效果优于在铝合金板上的冲击效果。研究成果为液氮-冰粒射流的发展提供了理论基础。

冰粒水射流表面抛光实验研究

对冰粒水射流抛光进行实验研究。在选取合适冰粒直径和其他参数的条件下,根据后混合磨料水射流原理,用冰粒水射流对硬脆性材料的表面进行抛光。选用的抛光试件为未经过热处理的45钢,抛光喷嘴内径为3.175 mm,冰粒直径为0.5～2 mm,冰粒贮存温度为-20～-50℃。设计正交试验,分析冰粒水射流抛光过程中,主要加工工艺参数对表面粗糙度的影响。结果表明:冰粒水射流完全可以达到抛光功用;靶距是影响抛光效果的主要因素。

扁椭球形雨滴和冰粒后向散射实验与理论研究

本文介绍了对扁椭球形雨滴和冰（雹）粒散射能力的实验模拟和测量技术，报告了一个系列扁水（冰）椭球后向散射截面的实验测量结果；并用扩张边界条件法（ＥＢＣＭ）计算出相应的理论值，用Ｍｉｅ公式计算出等容积球形后向散射截面。将实验结果与理论计算作了综合对比分析，得到了若干有用的结论。

球锥扁椭球冰粒后向散射实验与DDA计算研究

采用实验室观测和 DDA法理论计算 ,分别获得了球锥扁椭球形冰粒对 3 .2、5.6和 1 0 .7cm三种波长极化波的后向散射特性数据。结果表明 ,测量资料和计算数据具有很好的一致性。球锥扁椭球形冰粒的后向散射截面大小不仅依赖于其尺寸 (等容半径 )而且受其形状影响 ,“差反射率因子 ZDR”与粒子形状参数“水平—垂直尺度比”呈很好的线性正相关。

江苏省冰粒过程的天气特征和预报着眼点探讨

利用常规气象观测资料、微波辐射计资料和FNL再分析资料对2016年3月8日和2015年2月27日江苏省两次冰粒过程进行了对比分析,研究结果表明:(1)两次过程均是在后倾槽系统和东路冷空气的影响下产生的,环流形势为冰粒的产生提供了有利的大尺度条件;(2)在临近冰粒形成前,融化层和冻结层形成,而干层的形成时间要明显早于融化层和冻结层;(3)偏北的冷气流与偏南的暖气流随时间和空间分布不同导致温度平流分布不同,进而导致融化层和冻结层产生;(4)干层的形成主要是由于湿度平流随高度的分布差异造成的,水滴在干层中的蒸发吸热作用促进冻结层产生和维持。

我国冬季冻雨和冰粒天气的形成机制及预报着眼点

利用探空和地面观测资料,通过对2001年冬季至2010年冬季我国不同区域(分为4个区域:北方、江南、华南、西南)的冻雨和冰粒天气形成的物理过程进行分析发现:(1)除北方区域外,我国其他区域的冻雨主要以暖雨机制为主。北方区域的融化类冻雨比例也仅为39%,但纬度越高,出现融化类冻雨的几率高于上述比例。暖层出现是冻雨天气的重要特征,但暖层作用主要是输送水汽和维持锋面系统,以保证降水的发生和持续,低层及地面气温普遍低于0℃可能是最重要的原因。(2)我国冰粒天气的形成机制主要以融化机制为主。冰粒天气的云顶高度普遍高于冻雨天气。冰粒天气的暖层厚度和强度均小于冻雨天气,这主要是由于弱暖层只是部分融化冰晶和雪花,使其重新冻结成为可能。冰粒天气的700 hPa风速值普遍小于冻雨天气,这一方面说明冰粒天气对水汽输送条件要低一些,另一方面也反映了冰粒天气暖层较弱的特点。(3)云顶高度、暖层强度和厚度、低层冷层温度露点差、700 hPa风速以及地面气温是甄别冻雨和冰粒天气的特征量,但不同区域,这些特征量的有效性不一样。西南区域冻雨和冰粒天气的主要差别在地面气温,其他特征量或差别不明显,或代表性不足,只可以作为辅助判断的因子。

冰粒磨料射流冰粒加速规律及破碎煤岩数值模拟

为了高效增加煤层透气性强化煤层瓦斯抽采,首次提出采用冰粒磨料代替传统磨料的煤层射流割缝增透新技术,以解决常规磨料射流煤层割缝中出现的堵塞孔隙裂隙等瓦斯渗流通道、增加孔壁摩擦阻力导致卡钻抱死等缺陷。然而,鉴于冰粒磨料与常规磨料的差异性,其加速特性与破碎煤岩效果尚不清楚。采用理论推演法研究了冰粒磨料的加速特性和速度分布规律,在此基础上构建了数值计算模型分析了射流速度、冰粒体积分数以及围压对冰粒磨料射流破碎煤岩效果的影响规律。研究结果表明:(1)冰粒磨料掺入高速流体后获得了先增大后减小加速趋势,最终其速度可接近纯水的速度,大幅提升了冰粒磨料的冲击动能,为后续数值模型冰粒速度的赋值提供了依据;(2)数值计算结果出现V型破碎形态,同时冰粒磨料在冲击煤岩前后出现消融现象,符合现有文献研究结果和工程实际情况,表明所建数值模型具有适用性;(3)煤岩纵向破碎深度随冰粒磨料射流速度的增加而线性增加,横向破碎宽度随速度先增加后趋于稳定,煤岩纵向损伤深度约为纵向破碎深度的1.13倍;(4)冰粒磨料掺入纯水射流后,煤岩的纵向破碎深度和横向破碎宽度均出现大幅增加,随着冰粒磨料体积分数的增加,破碎深度和破碎宽度增加的趋势变缓,煤岩横向损伤直径约为横向破碎宽度的1.3倍;(5)煤岩所受围压大幅抑制了其在冰粒磨料射流冲击下的纵向破碎深度,围压越大,纵向破碎深度越小,而横向破碎宽度却几乎不受围压的影响。研究结果可为冰粒磨料射流煤层割缝技术的工程应用提供一定的理论支撑,同时可进一步完善高压磨料射流破岩理论。