引力波探测中惯性传感器的残余气体动力学特性机理研究

作为空间引力波探测的核心系统,惯性传感器在轨运行时的噪声干扰诱发机制解析是迫切需要解决的关键科学问题。惯性传感器中检验质量(TM)的残余加速度噪声是限制探测器灵敏度的最大噪声源。作为残余气体噪声的直接表征手段,惯性传感器复杂拓扑构型下气体分子逃逸时间动态特性解析亟待解决。文章首先考虑了狭小空间下检验质量块与周围壁面间的材料属性、放气特性等差异性,建立了异质空间复杂拓扑结构下的惯性传感器数理模型;其次解析出残余气体噪声与气体分子逃逸时间之间的定量约束关系,提取了逃逸时间核心影响因素;随后以蒙特卡洛模拟技术为切入点,得到约束条件下气体分子从板间扩散出去所需的逃逸时间及碰撞次数的模拟解。文章研究发现:不同气体成分、壁面性质对残余气体噪声有较大影响;考虑气体分子在壁面的滞留时间会大幅增加逃逸时间、降低碰撞频率。

一种AUV模块化载体结构设计与实现

随着科技的不断发展,水下作业任务呈多样化、复杂化的趋势,针对自主式水下无人航行器功能多样性的问题,采用模块化的设计思想,提出一种载体结构设计方法。以某300 m级探测型AUV为例,对本文提出的载体结构进行验证。水池试验结果表明,本文提出的模块化载体结构运行情况良好,保证了AUV各项功能的实现,可为水下无人航行器的工程设计提供参考。

表面特性对棘齿型Knudsen泵气体分离特性影响的模拟研究

Knudsen泵作为一种微型泵,在微机电系统(MEMS)中具有广泛应用。本文提出了一种具有不同表面反射系数的棘齿型Knudsen泵,通过直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对该泵内He-Xe混合气体流动特性进行了数值模拟研究。结果表明:表面反射特性对Knudsen泵内的流场特性和气体分离特性影响巨大,不同的表面反射特性导致了Knudsen泵内不同的热驱流动机理;三角形倾斜边的α_(n)=σ_(t)=0时Knudsen泵内主要热驱流动为辐射流,有利于气体分离,而α_(n)=σ_(t)=1时Knudsen泵内主要热驱流动为热边缘流,对气体分离没有明显有利作用;三角形倾斜边的α_(n)=σ_(t)=0时He和Xe的速度和扩散速度在三角形棘齿上顶点附近差异最大,而α_(n)=σ_(t)=1时在三角形棘齿左侧顶点附近差异最大;越轻的气体流动速度和扩散速度越快。本文可为实际工程应用中微型气体分离装置的设计和生产提供理论依据。

基于机器视觉的UUV水下沉底目标自主识别

水下无人航行器对目标的自动识别研究是未来水下目标探测领域的发展趋势。针对现阶段水下沉底目标声呐图像探测人工识别工作量大、判别困难等问题,研究了机器视觉中基于Canny算子图像边缘检测结合霍夫线变换去噪的识别方法在水下无人航行器自主探测的应用,为此在湖底布放多个水下沉底模拟目标,尝试了水下无人航行器的目标自主探测方案,通过实际湖上试验对比分析三种水下沉底目标声呐图像的算法识别效果,验证了论文所研究方法的有效性,为后续无人平台自主识别算法研究提供参考,以期提高无人航行器对水下沉底目标的自主探测识别能力。

基于离散坐标法的复杂构型跨流域流场模拟

跨流域流动不仅存在于高超声速飞行器、航天飞行器变轨/调姿等航空航天领域中,同时也广泛存在于微纳制造及器件传质/传热等科学和工程实践中。准确、快速模拟跨流域流动对此类科学研究和工程实践具有重大意义。本文引入基于气体动理学的多特征值离散坐标法对跨流域流场模拟进行研究,并以动态气体锁为研究对象完成给定构型的内部流场仿真,得到了构型内部温度场、速度场和密度场,所得结果符合理论预期。

基于DoDAF的无人潜航器作战效能静态评估研究

无人潜航器协同作战效能评估对于提升潜航器自身作战效能有着重要意义,针对无人潜航器的作战编队,基于DoDAF构建无人潜航器协同作战体系框架,分析作战活动与能力之间的关系,建立协同作战能力指标体系;对于不同类型的指标进行差异化处理,结合ADC模型,考虑综合性指标,减少单项指标的局限性的影响;以对海作战背景下的无人潜航器协同作战为场景,对不同作战方案进行效能评估和计算验证其有效性。

真空喷射射流流场的Fluent模拟分析

为了对真空射流流场进行研究,应用Fluent软件并基于VOF（volume of fluid）方法、k-ε标准湍模型及PISO算法,对不同喷口直径及入射压力的直射式锥型流道喷嘴的射流流场速度和湍流运动分布进行了数值模拟分析.结果表明：1）入口压力相同,喷嘴直径越大,射流与周围介质间的速度梯度越大,可促进射流的扩散和液滴破碎后的尺寸均匀分布;2）喷嘴直径一定,入口压力在10~15 MPa内,射流湍流强度分布达到最佳状态,射流流场较好;3）如果不考虑材料的溶解性,相对于三氯甲烷和四氯化碳,丙酮作为溶剂时的液体喷射雾化效果较好,适于制备质量较好的高分子薄膜.

真空管道中阻塞比对列车空气阻力影响的数值研究

本文基于粘性流体的Navier-Stokes方程和k-ε双方程湍流模型,运用流体动力学数值仿真软件FLUENT对不同的真空管道阻塞比条件下,高速列车在不同运行速度下车体所受到的空气阻力进行数值仿真,得出真空管道内阻塞比对列车空气阻力的影响规律。研究结果表明:在真空管道内,阻塞比越大,列车所受到的空气阻力也越大;阻塞比较小时,阻塞比的变化对列车所受到的阻力的影响较小,但是当阻塞比较大时,列车所受阻力急剧上升;真空管道运输具有快速、高效的优越性。

蒙特卡罗法计算分子流状态下真空管道的传输几率

采用蒙特卡罗法对分子流状态下真空管道的传输几率进行了计算。计算精度随着模拟分子数的增加而显著提高,对于圆柱管道,模拟分子数为1.0×109时误差在2.7×10-5以下。气体分子与管壁的平均碰撞次数与管道纵横比基本相等。分析了传输几率与管道内壁吸附性的关系,通过测量管道两端气压便可计算出管道的抽速。另外,对椭圆和矩形截面管道的流导也进行了计算。

真空管道HTS磁浮列车实验系统环形加速器设计

在真空管道高温超导磁浮实验系统中,采用圆环形单边长初级直线感应电机驱动磁浮列车做高速环形运动,为了提高驱动系统的效率和功率因素,降低系统能耗及电源容量,直线电机采用分段供电技术。本文针对真空管道高温超导磁浮实验系统的高速运行,分析研究了直线电机分段供电原理及列车的安全运行状况,设计完成了用于真空管道高温超导磁浮实验系统的环形分段供电加速器,并对加速器的响应速度和安全监控功能进行了测试,结果表明该加速器具有较高的响应速度,控制系统能对小车的运行状态做出准确的判断和保护,为真空管道高温超导磁浮交通系统的应用提供设计参考。

PECVD腔室热流场数值仿真研究

等离子辅助化学气相沉积(PECVD)腔室的气流分布、温度分布是影响薄膜沉积工艺均匀性以及沉积速率的重要原因之一。本文对PECVD腔室气流建立连续流体和传热模型,研究了腔室内流场和温度分布特性;讨论了四种不同稳流室结构的PECVD腔室,在加热盘恒温400℃、质量流量5000 sccm、抽气口压力133 Pa的工艺条件下12英寸晶圆片附近上方流速、压力、温度分布情况;选择了其中一种稳流室结构作了多种质量流量(20～5000 sccm)入口条件下的流场分析。仿真研究发现:在抽气口位置偏置的情况下,四种不同稳流室结构的腔室内热流场并未出现明显偏置,这表明抽气口偏置对工艺均匀性没有明显影响。加热盘附近上方2 mm处温度场大面均匀、稳定,且随入口质量流量变化波动很小,表现出良好的稳定性;气压分布呈现中心高边缘低的抛物线特征,流速呈现中心低边缘高的线性特征,且晶圆片附近以及喷淋头(Showerhead)入口压力和流速均随着入口质量流量的增加而升高。研究结果对PECVD腔室结构设计及工艺控制具有重要意义。

真空管道中高温超导磁悬浮车运行时的振动能耗特性

当真空管道中的气压降到一定值时,其中运行的高温超导磁浮车所受到的空气阻力近似省略。那么磁浮车的运动方向上的动能会因为磁轨道上有接头或其它原因导致轨道上表面磁场的分布不平衡而转移到与运行垂直方向上的振动而损耗掉。对一个已设计好的轨道,其缺陷是不可避免的,文中讨论磁浮车在这种轨道上的动能损耗与磁浮车运行速度的关系。将一定真空环境中运行着的高温超导磁浮车的这种振动近似为弹簧的阻尼振动,然后根据高温超导体的特性及相应测量值来确定其刚度系数与阻尼系数,从而考虑其阻尼振动的动能损耗情况。模拟了三种振动产生方式的耗能情况,与实验结果相符合,表明了能耗规律及其在真空管道运输设计与应用中的参考价值。

四边形阵列的微通道型Knudsen泵内热驱流动的DSMC数值模拟优化

Knudsen泵是可应用于微机电系统(MEMS)的一种微型气体输送装置。本文提出一种带有不同温度四边形的微通道构型,通过直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对该微通道内气体流动特性进行了数值模拟研究,并针对其气体泵送特性进行了优化研究,给出了泵送气体的最佳参数。研究发现,微通道内温差在75~1200 K范围内时,质量流量随着温差的升高几乎呈线性增大,且温差在1200 K时质量流量是75 K时的10倍。对于不同的Knudsen数,最大气体流速和质量流量均出现在Kn=0.3Knudsen泵的62倍。这些结论可为工业领域内各种微型气体泵送装置的实现和设计提供参考依据。

PECVD变结构腔室压力分布规律研究

在真空半导体产业发展过程中,决定产品质量的关键因素是生产工艺过程的参数控制,等离子体增强化学气相沉积(PECVD)中比较重要的一个参数为腔室内压力值。通过变结构腔室压力测量试验验证,得到正确可行的针对变结构腔室三维模型的网格剖分方法和仿真算法。影响腔室内压力分布的四个变量中,依次改变粘滞阻力系数、入口初始压力、入口流量和排气口压力的大小,分析计算腔室内压力分布特性。变结构腔室中压力分布规律,为PECVD腔室结构设计及腔室压力控制提供理论依据。

定容法测量小孔流导的方法研究

规则小孔的流导可以通过计算得到,但对于非规则小孔,若要准确得到小孔流导的大小,就必须通过实验测量得到。文章论述了定容法测量小孔流导的方法,进行了测量不确定度的评定,得到了整个校准范围内小孔流导随进气压力变化的拟合曲线和方程,小孔流导的测量不确定度为1.1%。

基于Sigmund理论的溅射产额计算及分析

溅射产额是表征溅射效应的重要参数。Sigmund的线性级联碰撞理论在溅射产额计算中获得了广泛的应用和发展。本文对Sigmund理论进行简单介绍,并对基于Sigmund理论的各种经验公式进行分析。在此基础上,对不同条件下的溅射产额进行了计算,通过计算结果,对各种公式的使用范围进行了讨论。

磁控溅射中电磁场分布及带电粒子运动的模拟与计算

电磁场分布及其对各种带电粒子的约束情况对磁控溅射过程有着决定性的影响。本文首先利用物理场耦合分析软件Comsol3.2a分析了直流磁控溅射电磁场的分布,并且计算分析了单个带电粒子的运动情况。在此基础上,计算分析了带电粒子束流在电磁场中的运动情况、空间分布,得到了磁控溅射电磁场区域分布、单个电子的运动轨迹及带电粒子在空间区域中位置分布。

PECVD变结构腔室热流场耦合规律研究

在真空半导体产业中,等离子体增强化学气相沉积腔室内热流场耦合的参数控制是生产工艺过程决定产品质量的关键因素。通过变结构腔室内温度和压力耦合测量试验验证,得到正确可行的针对变结构腔室三维模型热流场耦合计算的仿真算法。对比试验结果,依次改变腔室入口流量、出口压力以及承载台温度的大小,分析计算腔室内温度和压力的耦合分布特性。变结构腔室中热流场耦合分布规律,为真空腔室结构设计及参数控制提供理论依据。

真空管道高速列车系统中管道压力分布研究

针对真空管道内列车运行对管道压力分布的影响,本文建立了单车运行和两车交汇的真空管道交通系统模型,通过Fluent湍流模型和重叠网格划分技术,得到真空管道交通系统的压力场,分析了压力场的变化规律。结果表明,列车运行速度和阻塞比对管道内压力分布影响较大,管道真空度影响较小,列车表面压力分布受列车运行速度影响较大。两车交汇时,真空管道内压力分布变化较大,达到110kPa/s。该研究为真空管道高速列车系统中管道压力设计提供了理论指导。

电驱动微纳米模塑技术的成形机理及工艺参数影响研究

电驱动微纳米模塑技术较之常规压印光刻技术具有其独特的优势,其利用电场产生的Maxwell压强替代外部机械压力,实现对聚合物薄膜流变的有效驱动,可以避免压印光刻技术中机械压力引发的结构变形等问题,实现微纳米结构的保真复形。针对电驱动微纳米模塑技术中电场施加方式以及模具几何约束的差异,提出非接触式与接触式两种电驱动模塑成形方法,并采用理论分析、数值仿真以及试验等手段探究电场作用下聚合物的流变成形机理,分析电压、空气间隙和膜厚等工艺参数对复形模塑结构的影响,探讨非接触式与接触式两种电驱动微纳米结构成形方法的异同。研究结果表明,两种电驱动模塑技术都能有效避免常规压印光刻技术的不足之处,在无机械压力条件下实现微纳米结构的模板图案完整复型,但接触式电驱动微纳米模塑方式在图形复制精确性、成形效率和工艺可控性等方面更具优势,是一种具有广阔应用潜力的纳米结构图形化方法。