脉冲激光与正激波相互作用过程和减阻机理的实验研究

纳秒脉冲激光具有峰值功率密度高、易于击穿空气形成等离子体这一突出优势,在降低超声速波阻方面具有重要应用价值.以深刻揭示减阻机理为目的,针对激光与正激波相互作用这一基本物理现象开展实验研究.发展高精度纹影技术以测量复杂激波结构,时间分辨率达到30 ns,空间分辨率达到1 mm;搭建快速PIV实验系统以定量测量流场速度和涡量,时间分辨率达到500 ns.探明了激光等离子体引致的球面激波和高温低密度区域特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并结合数值模拟结果阐明了脉冲激光等离子体降低超声速波阻的根本原因.研究表明:激光等离子体引致激波的初始马赫数随着激光能量而增大,形状由水滴形逐渐发展为球面形,传播速度随着时间降低,在50μs后接近于声速;高温低密度区域初始近似于球形,而后从激光入射方向的下游开始失稳,形成尖刺结构;在正激波冲击下,高温低密度区域演化为上下对称的双涡环结构,尺寸随着激光能量而增大.涡的卷吸和逆流可改变飞行器头部激波结构,是流场重构的重要形式,引起飞行器表面压力的大幅降低,是引起超声速飞行器波阻降低的重要机理.

激光等离子体热核与激波相互作用的流动特性研究

激光等离子体热核与正激波相互作用是复杂激光减阻科学问题中最基本的物理现象。建立了基于激波管和激光能量沉积的实验平台,利用高精度纹影系统捕捉了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性。实验结果表明:激光等离子体热核界面变形,弯曲并最终形成双涡环结构,展向尺寸迅速增大然后降低并逐渐稳定在7.7 mm左右,流向尺寸先降低然后在激波离开热核之后以114.3 m/s的速度线性增长,从微观层面进一步揭示了激光减阻机理,对等离子体主动流动控制的相关研究具有很好的借鉴参考价值。

关键参数对激光等离子体热核与激波相互作用过程的影响规律

针对激光减阻中激光等离子体热核与正激波相互作用物理现象,运用高精度纹影测量技术研究分析了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性,获得了激光能量与激波速度两个关键因素的影响规律。实验结果表明:在正激波的冲击下,热核宽度呈先上升然后稳定并有减小的趋势,入射激光能量越高,热核在激波冲击下的宽度越大;热核的长度在正激波冲击下迅速减小然后以固定的速度线性增长,增长速度约为入射激波速度的19%。研究结论可为实际应用中有效增强减阻效果和延长持续时间提供依据,相关方法和结果对激光等离子体主动流动控制研究也具有很好的参考价值。

纳秒脉冲激光能量沉积激波减阻机理数值研究

为详细揭示纳秒单脉冲激光能量沉积激波减小波阻的机理,分别研究了单脉冲激光能量沉积与正激波相互作用、单脉冲激光能量沉积与弓形激波超声速流场相互作用。鉴于常用数值模拟方法不考虑空气的离解和电离,不能合理模拟激光能量沉积诱导等离子体热核的空间分布,采用泪滴形能量分布,且耦合有限速率化学反应模型,所得到的激波和热核演化过程的数值模拟结果与实验吻合程度高,验证了所提出模拟方法的合理性。分别选取马赫数为1.92条件下的正激波和弓形激波,入射激光能量大小为10.1 mJ和12 mJ,研究表明:单脉冲激光能量沉积诱导形成的等离子体热核通过正激波后,形成上下对称的涡环结构;在弓形激波条件下,在波后形成的低压涡环引起波阻减小,这是激波减阻的主要机理。

肼类推进剂废水处理方法及等离子体的应用进展

液体火箭加注肼类推进剂后,清洗推进剂运输车辆会产生百吨级废水,及时有效地处理含有毒物质的肼类推进剂废水,可以解决因二次污染带来的环保问题。介绍了目前常用的肼类推进剂废水处理方法、废水组分及含量分析方法以及等离子体技术在处理含有机物废水中的应用。针对目前等离子体技术在肼类推进剂废水处理中应用较少的现状,建议从机理分析、等离子体参数设计和优化以及研制新型实验装置方面展开研究,解决肼类推进剂废水带来的发射场安全问题,满足新形势下航天发射任务的需求。

低温等离子体降解偏二甲肼废水研究

该文研究了悬浮电极介质阻挡放电装置(FE-DBD)产生的低温等离子体对偏二甲肼废水的降解效果,并对处理条件进行优化。首先,对比了低温等离子体装置、氙灯和紫外灯降解偏二甲肼废水的效果;然后,考察了低温等离子体装置的放电间隙、初始溶液pH、工作时间和氢氧化钠加投量对偏二甲肼降解的影响;最后,探究了低温等离子体对偏二甲肼废水pH值的影响。实验结果表明,不加入其他试剂的情况下,低温等离子体装置降解偏二甲肼效果好于氙灯及紫外灯;装置放电间隙从4 mm缩短至2 mm,偏二甲肼降解率增加47.2%。随着等离子体处理时间的增加,偏二甲肼的含量降低,处理20 min即可降解82.1%偏二甲肼。同时,低温等离子体处理会引起偏二甲肼废水pH值下降,处理10 min后废水pH从10下降至6.9。废水初始pH在2~10时,偏二甲肼降解率随废水pH值的升高而增大:与pH=2相比,初始pH=10时偏二甲肼降解率增加65.9%。低温等离子体处理10 min后,往废水中加入氢氧化钠溶液至终浓度为1 mg/mL,再继续处理10 min,可将偏二甲肼降解率提高至95%。

脉冲激光等离子体与正激波相互作用的PIV实验研究

脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值.纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态.为定量研究速度分布和旋涡结构,针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究.在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统,通过定量测量,探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响.结果表明:激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称,而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧;斜压导致热核在演化初期产生涡环,后期则由剪切主导;正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时,产生斜压涡量,当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时,热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级;激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环,在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.

THSD4基因在小鼠间充质干细胞及MC3T3-E1细胞成骨分化中的作用

目的 探讨THSD4基因对小鼠间充质干细胞和MC3T3-E1细胞成骨分化的影响。方法 提取绝经后骨质疏松症患者的骨髓间充质干细胞进行基因测序分析,与骨关节炎患者的骨髓间充质干细胞进行比较,分析基因表达差异。通过提取不同分化阶段的小鼠骨髓间充质干细胞(M-BMSC)及MC3T3-E1细胞的mRNA来检测THSD4基因以及成骨分化的标志性基因(ALP、Runx2、Osx)的表达水平。通过构建慢病毒表达载体来实现对M-BMSC及MC3T3-E1细胞中THSD4的敲减及过表达,并观察其对M-BMSC及MC3T3-E1细胞成骨分化能力的影响。结果 THSD4基因在绝经后骨质疏松症患者骨髓间充质干细胞中明显下调,且通过KEGG以及GO富集分析发现THSD4基因可能与PI3K-AKT信号通路及Wnt信号通路相关。随着成骨诱导分化时间的延长,THSD4 mRNA和成骨分化标志性基因(ALP、Runx2、Osx)mRNA在MC3T3-E1以及M-BMSC中表达量均逐渐增加。过表达THSD4可以增强MC3T3-E1细胞和M-BMSC的成骨分化能力,而敲减THSD4则减弱了MC3T3-E1细胞和M-BMSC的成骨分化能力。结论 THSD4基因在绝经后骨质疏松症患者骨髓间充质干细胞中明显下调,且THSD4基因可以增强MC3T3-E1细胞以及M-BMSC的成骨分化能力。

Peek Prevail椎间融合器治疗颈椎间盘退行性疾病的效果研究

目的观察Peek Prevail椎间融合器治疗颈椎间盘退行性疾病的效果。方法选取2017年1—6月本院行颈椎前路减压融合术(ACDF)中使用Peek Prevail椎间融合器的31例患者为Prevail组,至少随访2年。另选取同期使用前路钢板治疗的31例患者为钢板组。比较2组患者手术后影像学变化及术后并发症发生情况。结果 Prevail组术中失血量少于钢板组,手术时间均短于钢板组,差异有统计学意义(P <0.05)。钢板组9例患者术后发生吞咽困难,其中4例患者直至随访结束时仍表现出轻度吞咽困难;Prevail组6例患者出现轻度吞咽困难,且症状在术后6周内完全消失。2组术后各时间点的颈椎前凸角、手术节段Cobb角和椎间隙高度均较术前增高,差异有统计学意义(P <0.01)。结论与传统前路钢板相比,Peek Prevail椎间融合器具有术后吞咽困难的发生风险低、手术时间短、失血量少等优点,可以获得更好的治疗效果。

关键参数对空气中激光引致热核特性的影响规律研究

针对纳秒脉冲激光能量在空气中沉积的等离子体热核演化问题,利用两种不同分辨率的高速相机,搭建了高分辨率的纹影系统。所获得的纹影实验结果很好地展示了激光能量沉积初始时刻的演化过程,并研究了激光能量大小和透镜焦距这两个关键参数对激光引致等离子体热核演化过程的影响规律。实验结果表明激光沉积能量越大,等离子体热核的尺寸越大,但是可能存在激光能量沉积的饱和现象。另外,激光能量越高、透镜的焦距越短,激光能量沉积之后环境冷空气穿透热核的时间就越晚,意味着等离子体热核维持稳定的高温低密度气团的时间越长,这可以为激光致等离子体主动流动控制的相关研究提供充足的反应时间。

Interaction of single-pulse laser energy with bow shock in hypersonic flow

Pressure sensing and schlieren imaging with high resolution and sensitivity are applied to the study of the interaction of single-pulse laser energy with bow shock at Mach 5. An Nd：YAG laser operated at 1.06 μm, 100 mJ pulse energy is used to break down the hypersonic flow in a shock tunnel. Three-dimensional Navier-Stokes equations are solved with an upwind scheme to simulate the interaction. The pressure at the stagnation point on the blunt body is measured and calculated to examine the pressure variation during the interaction. Schlieren imaging is used in conjunction with the calculated density gradients to examine the process of the interaction, The results show that the experimental pressure at the stagnation point on the blunt body and schlieren imaging fit well with the simulation. The pressure at the stagnation point on the blunt body will increase when the transmission shock approaches the blunt body and decrease with the formation of the rarefied wave. Bow shock is deformed during the interaction. Quasi-stationary waves are formed by high rate laser energy deposition to control the bow shock. The pressure and temperature at the stagna- tion point on the blunt body and the wave drag are reduced to 50%, 75% and 81% respectively according to the simulation. Schlieren imaging has provided important information for the inves- tigation of the mechanism of the interaction.