中国微重力科学研究回顾与展望

微重力科学主要研究微重力环境中物质运动的规律,以及不同重力环境中重力对物质运动的影响.中国微重力科学研究起步于20世纪60年代,兴起于80年代中后期,经过多年发展,目前已初具规模,在一些重要方向具有明显特色和一定优势.本文回顾了中国微重力科学研究的早期历程,评述了近年来中国微重力科学研究进展,特别是利用实践十号科学实验卫星、天宫二号空间实验室等空间平台开展的微重力科学与技术应用研究取得的最新成果,并对中国载人空间站时代微重力科学发展的前景予以瞻望,推动微重力科学与应用研究在中国的快速、可持续发展.

从应用力学到工程科学

工程科学起源于20世纪初德国以普朗特为代表的应用力学学派;20世纪30年代应用力学研究中心转移到美国以冯·卡门为代表的古根海姆空气动力学实验室,钱学森先生师从冯·卡门,在这一领域做出了杰出贡献,并明确提出、系统阐述了工程科学的思想。国内外航空、航天工程的实践已经证明,工程科学可以加速科学革命、经济发展、社会进步。未来工程科学研究领域将从自然现象扩展到生命体乃至人文科学,如:工程管理、工程伦理和工程哲学,并引领交叉学科领域的前沿研究。为适应这一发展趋势,我们将通过强基础、阔领域、重实践、促创新,加速复合型工程科学人才的培养。

新时代工程科学学科发展的思考

工程科学是自然科学与工程技术的融合,萌生于第一次工业革命中后期的英国,相对成熟于第二次工业革命时期德国哥廷根大学应用力学学派的工作中,但工程科学思想相对完善的论述是钱学森先生首先给出的;中国科学院力学所是中国工程科学思想的摇篮,在流体弹塑性模型、统计细观损伤力学、钻井平台关键技术、高铁实验平台、高超声速激波风洞、“实践十号”卫星等工程科学领域取得了重要进展;新时代中国科学院大学将聚焦国家重大战略需求中的关键科学问题,从学科发展目标、人才所需特质、专业培养课程及机制探索等方面,进一步创新和发展钱学森先生提出的工程科学思想。

中国空间站燃烧科学实验系统燃烧室设计与分析

中国空间站燃烧科学实验系统能够在轨进行多种燃料的微重力燃烧实验,其关键组件燃烧室是可实现密封的压力容器,为实验插件提供机械、氧化剂、废气排放、供电、控制、冷却等接口,支持实验插件完成相关功能.本文依据承压范围、漏率、透射光波段等设计技术指标进行燃烧室结构设计与力学分析.燃烧室采用分段式结构,由合叶门、锁紧圈、连接环、筒体等组件依次连接组成,连接结构处使用密封圈.通过燃烧室的承压分析、模态分析以及随机响应分析,校核了燃烧室结构的强度、刚度及随机振动响应特性,验证了燃烧室设计的安全性与可靠性,能够满足发射及在轨工作要求.

中国空间站燃烧科学实验柜火焰温度及碳烟体积分数地面重建

基于双色法和Tikhonov正则化算法,应用燃烧科学实验柜科学实验系统开展乙烯扩散火焰二维和三维温度及碳烟体积分数分布重建实验,以期为将来的微重力-常重力燃烧对比实验提供技术支持和地面数据。研究结果表明:火焰温度的计算误差约为3.03%,碳烟体积分数的计算误差约为3.86%;火焰温度沿径向先升高后降低,其峰值出现在靠近火焰边缘的位置;火焰上游处的碳烟体积分数分布呈中心低、四周高的趋势,而火焰下游的碳烟体积分数峰值则出现在火焰中心区域;依据SN571、SN610和SN573光学诊断设备采集的图像信息重建的峰值温度分别为1942、1954和1981 K,最高碳烟体积分数分别为11.34×10^(-6)、11.23×10^(-6)和11.02×10^(-6);三维重建的温度和碳烟体积分数分布与二维重建的分布一致,三维重建出的火焰峰值温度约为1900 K,最高碳烟体积分数约为10.60×10^(-6)。

工程科学的践行者——纪念童秉纲院士

中国科学院院士童秉纲教授(1927—2020)是流体力学家、教育家,工程科学的践行者.文中简要介绍了童秉纲先生的生平,着重回顾了童先生在非定常流与涡运动、生物运动力学、气动热力学等流体力学3个分支学科领域对工程科学思想的实践,最后介绍了童先生对我国力学教育的杰出贡献.

240t/h循环流化床锅炉深度灵活调峰工程示范

煤电深度灵活调峰是促进可再生能源电力消纳、减少CO_(2)排放的重要举措。但燃煤锅炉深度灵活调峰存在负荷下调深度受限和NO_(x)排放高的技术难题。本文首次采用循环流化床耦合煤粉预热的技术路线,改建了现役240 t/h高温高压循环流化床锅炉,试验结果表明,锅炉负荷调节深度降低18%,且实现了零喷氨超低NO_(x)排放。240 t/h循环流化床锅炉深度灵活调峰工程示范的成功运行,为燃煤电站深度灵活调峰技术的发展提供了支撑。

中国企业参与国外大型工程投标的多目标决策研究

随着国家"一带一路"发展战略的提出,中国建筑行业国外业务发展迎来绝佳机遇。本文根据国外大型工程投标特点,将投标过程划分为投标决策和报价决策,并对这两个阶段分别建立多目标决策模型,采用基于模糊综合评价和卷积神经网络的方法研究投标决策,以及基于博弈论的方法研究报价决策,着重分析两种模型下研究结果以及两种模型在实践中应用的相关问题。文章通过建立合理的投标报价决策体系,使研究内容更符合现实需求,得到更加理想的投标报价决策结果,提升企业国际竞争力,从而促进多元化、多项目的融洽经济合作。

空间科学装置元器件替代关系与数字化表征研究

针对空间科学装置元器件替代关系缺少明晰界定和规范的问题,提出了元器件替代关系定义和替代关系类型:对于高可靠领域,元器件替代关系需由功能性能和可靠性因素共同确定。设计了不同替代关系的数学表征方式和基本性质,包括自反性、对称性、传递性、吸收性和规范性。通过实际案例分析得知:存储器AM27C4096-150DC和AM27C4096-150DCB间存在质量等级一致性原厂替代关系;放大器AD620SQ/883B与HRF620J、FX620间存在工程验证一致性插拔替代关系。

空间站燃烧科学实验系统设计

建立空间站燃烧实验系统,可满足未来空间微重力燃烧实验系统需求.通过空间站微重力燃烧实验研究,可拓展空间燃烧学研究.根据所要实现的功能及燃烧实验需求,对中国空间站燃烧柜的燃烧科学实验系统进行了设计和分析.燃烧科学实验系统由8个子系统组成,是一个适合开展气、液、固多种燃料燃烧实验的综合性实验系统.考虑到强度设计要求,在完成方案设计后,对系统进行了有限元分析,并在研制的结构件上进行了力学环境实验.实验与分析结果表明,本文设计的实验系统能够满足环模实验的要求,结构合理可行.

多孔岩石中天然气择优渗流规律

在渗流力学分析基础上建立了多层同源气驱水实验方法,揭示多孔岩石中天然气渗流规律和含水砂岩气藏水封气形成的临界力学条件。选用鄂尔多斯盆地苏里格气田天然岩心,根据气井钻遇纵向储层物性分布特征进行并联组合,开展了完全饱和水条件下岩心同源逐级增压气驱水实验。结果表明:天然气流动路径与储层渗透率和气驱水压力大小密切相关,在特定气驱水压力条件下,天然气优先选择高渗岩心流动,随着气驱水压力逐级增加,逐级覆盖低渗致密岩心;在基质渗透率小于4.77×10^(-3)μm^(2)的储层,尤其是基质渗透率小于等于1.0×10^(-3)μm^(2)的储层,气驱水临界流动压差与渗透率存在良好的幂函数关系;随着储层渗透率的降低,气驱水临界流动压差反而增大,在气藏衰竭开采过程中,当地层压力下降至无法突破水封阻力时,容易形成水封气。研究成果可为气藏剩余气评价和补能降阻解水封提高采收率提供依据。

肝脏微组织/器官的工程化构建与力学调控

肝脏具有合成、代谢、解毒、免疫等多种功能。肝血窦作为肝脏微循环的基本单元,形成了具有肝血流和Disse间隙流双层流动、多种细胞共存的独特微血管网络结构,并呈现跨血管壁渗流、组织硬度变化等生理力学特征。肝血窦组成细胞与循环细胞可发生三维、动态的相互作用,从而调控炎症反应等病理生理过程,并受到相关力学敏感蛋白质的调控,表现为跨尺度的力学-化学-生物学耦合过程。

深海工程力学专题序

海洋资源开发及空间利用等工程实践不断迈向更深和更远的海域,面临深水极端环境载荷和复杂海床地质条件的严峻挑战。《力学与实践》组织出版“深海工程力学”专题,包括2篇邀请综述论文[1-2]和10篇研究论文[3-12]。本专题旨在聚焦深海工程开发中的关键科学与技术难题,刊登我国学者在深水工程结构系统设计与安全保障技术、深海超常环境力学等方面取得的若干研究进展,主要涉及深海矿物资源开采[1]、深水管道及立管多相流动与分离调控[2-4]、管道结构力学响应及优化设计[5-6]、深水工程结构基础系统(包括深水拖曳锚[7]、深水防波堤[8]及海上漂浮式风力机[9])、深海天然气水合物开采[10-11]以及深海陆坡地层稳定性[12]。

氨燃气轮机回热循环热力学分析

为应对能源需求缺口和人类对美好环境的追求,氨燃料以其零碳、能量密度大、生产运输成本低等因素,被认为是未来最具潜力的燃料之一,但纯氨燃烧仍有整体循环效率不高的问题。结合氨燃气轮机排出烟气的最高温度以及氨燃气轮机循环中最低温度液氨相变温度,匹配了再热式朗肯循环作为底循环,提出一种氨燃气轮机回热循环系统。利用热力学第一定律和热力学第二定律对系统热力学性能进行分析和评价,开展了氨燃气轮机进口温度和压力对整体循环性能影响的研究。结果表明,在氨燃气轮机进口温度不超过1400℃、进口压力低于0.5 MPa时,联合循环对氨燃气轮机循环的效率最高提升了33.38%;联合热力循环的最高效率为60.13%;联合循环有良好的热力学性质和能量回收率;在燃气轮机进口压力不超过0.5 MPa时,回热循环效率随氨燃气轮机进口温度升高和压力提升而提高。本研究为提升氨燃料的高效利用和氨燃气轮机循环实际使用提出了新的探索角度,为氨燃气轮机系统的能源利用做出前瞻性探讨。

中国空间站燃烧科学柜火焰传播速度地面测量试验

基于本生火焰法,结合数字图像处理技术,应用中国空间站燃烧科学柜开展了甲烷和乙烯火焰传播速度地面测量试验,以期为将来的天地(微重力-常重力)燃烧对比试验提供地面数据,并为燃烧科学柜在轨科学研究奠定基础。结果表明:随着当量比的升高,火焰传播速度先上升后下降,火焰高度先下降后上升,二者均在当量比为1.04左右取得最值。甲烷预混燃烧的最高火焰传播速度约为37.36 cm/s,乙烯预混燃烧的最高火焰传播速度约为67.58 cm/s,后者约为前者的1.81倍。当量比一定时,未燃混合气出口流量或出口雷诺数的改变不会引起火焰传播速度的变化,但会显著影响火焰的高度。

南海北部深水区表层沉积物工程性质的统计特征分析

针对从中国南海北部海域某深水区采集的表层沉积物柱状样,进行了沉积物微观结构的扫描电镜测试、矿物成分的X射线衍射试验以及物理和力学性质的统计学分析。结果表明,该深水区海底表层沉积物通常为有机质软黏土,具有高含水率、低密度、高孔隙比、高液限、高可塑性、低强度等典型特征。统计分析和假设检验表明,沉积物的物理和力学指标均呈现变异性,且后者普遍高于前者。相对密度、含水率、液塑限和塑性指数服从正态分布;容重、碳酸盐含量、不排水抗剪强度、灵敏度接近假设检验结果,近似服从正态分布。研究结果可为深水海底工程结构设计的海床土性参数取值提供参考。

上中国空间站“烧开水”,揭示沸腾现象中的重力作用机理

烧开水是一种常见的沸腾现象,平凡之中包含着深刻而复杂的科学奥秘,对沸腾传热规律的认识支撑了以蒸汽机为标志的第一次工业革命及后续诸多工业和工程应用。沸腾过程由于相变潜热的释放具有极大的热传递能力,特别有利于热控系统的轻量化设计,对航天相关技术的发展具有重要的应用价值。沸腾现象中气、液两相介质密度的巨大差异,导致在地面常重力环境中沸腾特征往往由重力主导。航天任务所遇到的不同重力环境,对沸腾过程中的重力效应及其变化规律的研究提出了迫切需求。变重力沸腾项目是中国空间站实验舱I首批科学实验任务之一,拟针对池沸腾传热与气泡热动力学行为的重力标度规律开展研究,即利用实验舱I变重力科学实验柜提供的长时间稳定的不同重力条件,研究沸腾过程中的气泡热动力学行为及传热特性,揭示重力对沸腾现象的影响机理,构建重力标度规律,深化对沸腾传热规律的认识,支撑人类对太空奥秘的不断探索。

基于超导体磁穿透深度的测温实验装置设计

外界磁场进入超导体的磁穿透深度随超导体的温度变化而变化,特别是在超导转变温度附近,穿透深度变化尤为剧烈。探测穿透深度变化可实现对温度变化的高分辨率测量,是重要的深低温温度测量原理。基于该基本原理,提出一种基于超导体穿透深度变化、闭合超导回路磁通量子化和超导量子干涉器件(SQUID)的温度测量方案,进行理论分析和仿真,有望在液氦温区实现nK/√Hz量级的温度分辨率,并给出具体的实验装置设计。该方法分辨率高且不引入额外热流,不需要外部持续的电流激励,可通过在被测物体表面镀超导膜等方法消除传统温度测量方法中温度计的自热效应、接触热阻等对测量的不利影响。

省域三甲医院信息工程主管胜任力模型构建

目的构建山东省三甲医院信息工程主管胜任力模型。方法通过行为事件访谈法和专家评审法,确定胜任力要素;通过问卷调查法对提取的胜任力要素进行重要性评分;通过探索性因子分析,进一步确定胜任力要素和模型维度;运用验证性因子分析法对模型进行信效度检验。结果结合洋葱模型理论,按照胜任力素质后天习得的难易程度,构建了具有3个层次、6个维度、25个胜任力要素的山东省三甲医院信息工程主管胜任力洋葱模型。结论本文构建的胜任力模型具有较好的信度和效度,符合新形势下医院信息化建设的要求,具有适用性和科学性,可应用于多种医院人力资源管理场景。

工程共同体视域下重大科技示范工程过程管理模型研究

对比分析了国外现有重大科技示范工程过程管理模型,根据重大科技示范工程技术成熟度低、利益相关者目标不一致等特点,将工程共同体概念引入示范工程中。基于工程共同体中重要利益相关者的职责、交付成果,确定管理关键决策点,提出了适用于国内重大科技示范工程的过程模型。