流体的力学特性范文

导语：如何才能写好一篇流体的力学特性，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：计算流体力学；汽车制造；导流通道；制动盘；散热性能；车轮拱轮 文献标识码：A

中图分类号：U270 文章编号：1009-2374（2016）13-0009-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.13.005

当车辆处于紧急制动、频繁制动或持续下坡制动时，制动盘的温度会急剧升高，这容易导致制动失效或轮胎起火等严重交通事故。如何使制动盘在工作过程中迅速降温是汽车安全行驶的前提。通常，制动盘安装在汽车车轮的内部，其冷却过程与轮辐、轮拱等周边零部件的结构及布置方式等关系密切。因此，分析车轮的轮拱结构对制动盘散热特性的影响规律，具有重要的工程意义。

近年来，国内外学者对汽车制动过程中的动力学问题进行了大量的研究。Arthur Stephens采用实验的方法测量了在多种实际工况下，旋转径向通风制动盘的内部空气流动情况。测试工况包括：单个制动盘在静止的空气中旋转；将制动盘安装至车轮相应位置后，在静止的空气中旋转；将制动盘安装在车轮中，在流动的空气中旋转以及用四分之一实车模拟的公路制动工况。研究结果表明：与单个制动盘的制动效果相比，四分之一实车模拟的公路制动工况下的制动盘内部通道的气流显著减少。类似的，G P Voller等学者也发现：车轮的存在的确削弱了制动盘的散热效果。为了提高车辆制动的冷却效率，Zheng WQ首次提出了一种风扇式轮辐结构，它能够在保证制动盘结构不变的情况下，增强车辆的对流散热效果，并应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，简称CFD）方法研究了辐板数量以及辐板扭转角对制动盘冷却效果的影响规律。Thomas Schuetz以提高制动散热效果为目标，对车身结构进行了优化设计，将由发动机排出的气流直接被引流至制动器区域，大大增加了流经车轮结构及制动盘内的空气流量。

为增加车轮轮拱内的气体流量，增强车辆的制动散热效果，本文以车轮及其所在的轮拱为研究对象，在车身结构的进气格栅与轮拱之间增设导流通道，采用计算流体力学方法，分析其对制动盘散热性能的影响规律。

1 数值模型的建立

选取某款常见轿车的车身结构（基准轮拱的长、宽、高分别为2681.7mm、1196.37mm、943.72mm）为研究对象，在距离车底盘8cm高度处，增设入口面积为7000mm2的导流通道。采用有限元法建立三维数值模型，分别使用四面体网格、六面体与四面体混合网格划分车轮总成结构。经过网格无关解验证后，最终确定网格总单元数为1520204。有限元模型中的各部件主要参数为轮辐、轮辋及螺栓部件的密度为7840kg/m3，定压比热为465J/（kg・K），导热系数为48W/（m・K）；制动鼓密度为7570kg/m3，定压比热为470J/（kg・K），导热系数为36W/（m・K）；空气密度为1.029kg/m3，动力黏性系数为2.06×10-5kg/（m・s），定压比热为1009J/（kg・K），导热系数为0.0296W/（m・K）。

设置车身为无滑移边界条件，采用稳态求解器进行求解。汽车车轮制动鼓散热时，车轮和车身周围空气的对流换热问题为非定常三维不可压流动传热问题，需满足如下的连续方程、动量方程及能量方程：

式中：u为速度分量；T为温度；μ为动力黏性系数；F为质量力；ρ为密度；Cp为定压比热；k为导热系数。在计算车轮及车身外部流动换热问题时，还需考虑车轮结构内部的导热问题，即满足式（3）中的能量方程。应用一阶迎风格式描述动量及能量方程的离散格式，采用基于压力求解器的隐式求解算法对式（1）至式（3）进行求解。

2 结果分析

增设导流通道后，车轮制动盘表面对流换热系数的分布云图，如图1所示。从该图可知：增设导流流通道后，制动盘表面平均对流换热系数有所提高，可达91.97W/m2・K。

从图2中可知：开设导流通道后，轮拱内部流场分布非常复杂，由于车轮的旋转及其复杂的几何形状，形成了大量的流动分离和涡流。来自车辆前方的气流通过导流通道进入轮拱，一部分流经车轮外侧直接进入周围空气；另一部分流经制动盘表面后，以涡旋流动的形式散失在轮拱外部，制动盘的散热效果增强。

3 结语

本文采用计算流体力学方法，分析了导流通道对制动盘散热效果的影响。由数值模拟结果可知：在通向轮拱内，开设导流通道可有效提高制动盘的散热特性。

参考文献

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篇2

关键词：流体力学；教学模式；改革

作者简介：杨卫波（1975-），男，湖北安陆人，扬州大学能源与动力工程学院，副教授；毛红亚（1976-），女，湖北天门人，扬州大学财务处，会计师。（江苏 扬州 225127）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0083-02

“流体力学”作为土木、机械、能源、动力、环境、化工等学科的一门主干技术基础课程，由于其理论性强、概念抽象、方程繁琐、难以理解与记忆，导致学生学习的难度较大，从而影响教学进程和专业人才培养的质量。因此，如何针对“流体力学”课程自身特点，结合专业建设目标，探索出一套新的适合各专业培养目标的流体力学教学模式具有非常重要的意义。本文结合工科院校学生的实际情况及笔者教学实践与体会，从教学内容、教学方法及考核方式三方面对流体力学教学模式改革进行了深入的探析。

一、教学内容

1.教学内容的选择

教学内容的选择对于提高教学质量、改善教学效果具有重要的意义。根据教育心理学理论，[1]在教学中应把课程中具有广泛迁移价值的科学成果作为教材的主要内容，从而可实现利用已有知识来同化现有知识的作用，提高学生的接受能力。“流体力学”作为大学工科专业的一门课程，虽然其内容相对比较陌生，但其所包含的基本知识却贯穿于中学相关课程之中。如流体力学中的速度、压力、压强、质量守恒方程、能量守恒方程及动量守恒方程等，学生均在中学物理中均学过，因此在讲述相关内容时可以将其与中学内容相联系，从而提高学生的理解能力。又如在讲述管路的串联与并联特性时，其流量、阻力及阻抗特性正好与中学物理中电学的串联与并联电路的电流、电阻特性一致，如果在讲述之前引出中学的电路串并联原理，则可大大加强学生对管路串并联水力特性的理解能力。因此，根据学习迁移理论，将相关内容与学生已有知识进行对接，并阐述其相互之间的关系，不仅可以有效发挥学生利用所学知识来同化现有知识的作用，而且对于改善教学效果具有积极作用。

2.教学内容的编排

要合理编排教学内容就必须使教材结构化、一体化，以使构成教材内容的各要素具有科学、合理的逻辑关系。目前，国内“流体力学”课程的教学体系一般包括流体静力学、流体动力学（理想流体流动与实际流体流动）、流动阻力损失、孔口管嘴管路流动及特殊流动现象等。每部分内容既独立，同时各部分之间又有相互的联系。为了使学生容易学习，可以按照流体力学实际应用路线由简单到复杂的方式来编排教学内容。如可以从最简单的流体静力学部分开始，因为静力学部分中学物理中已讲授，生活中很常见，学生容易接受。由于静止是相对的，运动才是绝对的，自然界流体应用中更多的是运动着的流体，让学生明白这个道理后很自然将教学内容过渡到流体动力学部分，从而可提高学生继续往下学习的兴趣。在讲述流体动力学部分时，先从简单的一元理想流体运动部分着手，然后逐步过渡到多元理想流体流动及实际流体运动。在讲到实际流体运动时，由于能量方程中出现了阻力损失项，这样就很自然将内容过渡到流动阻力损失计算这一部分内容。由于生活中的复杂管路往往是由简单管路串联与并联而构成，因此，复杂管路的水力特性（流量、阻力等）需要确定，这样就可以根据流体力学实际应用需要将内容由阻力损失部分转移到孔口管嘴管路流动部分。最后，根据各专业培养需要，选择适合的特殊流动现象内容进行讲解，以加强流体力学的实际工程应用。这种以流体力学实际应用路线由简单到复杂作为主线的教学内容选择模式，内容组织层次感较强，讲起来更加引人入胜和重点突出，教学过程相对简化。

3.教学内容的弹性化

教学内容弹性化有两个方面的含义：一方面要根据每届学生不同的知识背景和不同的定位要求，采用不同的表达方式，以满足学生多样化的学习需要。另一方面是要根据时代的发展，不断更新教学内容，以适应最新科技发展的需要。[2]例如在“流体力学”教学过程中，为了让学生更容易接受，可以删去大量的数学公式推导，如流体连续性方程、动量方程、能量方程的推导等，这些内容对于学生是否掌握流体力学基本知识并无影响。又如，对于不同的学生群体，应根据学生今后的定位不同选择适当的教学内容，对于高职高专的学生，由于其毕业后大多数要走出校门从事实际工作，因此，在讲述时应侧重于流体力学实际应用方面的知识。而对于普通本科院校的学生而言，毕业后有相当一部分的学生要继续从事相关的研究工作（如考研等）。因此，应加强学生流体力学理论方面的教学与培养，以提高学生将来的研究能力。随着时代的发展和计算机的普及，将计算机用于求解流体力学问题的计算流体力学已越来越显示出其重要的作用。所以，流体力学教学中，适当介绍当今常用的计算流体力学商业软件，如Fluent、Star-CD、CFX及Ansys等，以扩充学生的知识视野，为今后有意继续深造的学生提供铺垫。

4.教学内容与工程实际相结合

兴趣是最好的教师。教育心理学[1]的研究表明：当学习内容与学生已有的知识和生活实际相联系时，才能激发学生学习和解决问题的兴趣。因此，在流体力学教学过程中，应结合专业目标尽可能多地介绍流体力学广泛的工程应用背景，引导学生提高自主学习流体力学的兴趣和积极性。如在讲述流体静力学中液体作用在曲面的总压力计算时，可以介绍1998年特大洪水灾害长江决堤事件等；在讲到流体静力学中平面总压力计算时，可以适当引入长江三峡水坝闸门的设计与计算；在讲到沿程与局部阻力损失[3]时，可以讲述如何选择水泵，并以每天生活用水管道供水为例来分析等；在讲到动量方程应用时，引入如何确定弯管及分叉管路中水流对管道的冲击力，从而可计算出管道支墩所受的推力；在讲述毕托管时，可讲述如何测量风管的风量与风压，在讲述倾斜式微压计时，可与毕托管一起讲述如何利用两者来测量正压与负压风管段的动压、静压及全压等。任课教师在平时授课过程中，结合专业培养目标适当穿插讲述一些发生在我们身边的与流体力学有关的实例，使学生认识到流体力学在生活及工程中的重要性，激发其学习兴趣，以提高教学效果。

二、教学方法

目前课堂授课中常用的教学方法主要有传统教学模式与以多媒体技术为代表的现代教学模式。传统教学模式是指教师通过口授、板书完成特定教学内容的一种课堂教学形式，该模式学生容易接受，可以达到预期教学目标。但缺乏创新与探索知识的功能，尤其是在当今知识快速更新的年代，更是面临严峻的挑战。现代教学模式是指在课堂教学中引入多媒体技术，通过形象逼真的动画的运用，生动形象地展示教学内容，从而可以充分发挥学生学习的积极性，使教学方式形象生动，有利于培养学生的思维能力、想象能力和创造能力。

考虑到传统与现代教学模式各自的优缺点，在流体力学教学过程中应将两种教学方法有机结合起来。如在讲述相关理论公式时，就以传统的板书教学为主，对公式的推导和例题的讲解，用板书的方式条理化，通过板书一边写、一边对学生提问，一边推导相关公式，让学生参与到教学中，从而可以加强学生与教师间的互动，激发与调动学生的学习积极性。而在流体力学理论的工程应用部分则较多地采用多媒体课件，例如在讲授层流与紊流[3]这部分内容时，单纯地板书讲解其概念很抽象，用多媒体课件展示雷洛实验讲解则直观生动，容易理解。在讲解孔口管嘴管路流动及虹吸现象时，用生动动画显示其流动全过程，可说明其流动过程中截面收缩及可能出现的真空现象，从而给学生留下深刻的印象。

三、考核方式

考核的作用主要是了解教师教与学生学的情况，及时发现问题以便改进。考核方式的合理性不仅能激发学生学习的兴趣，同时还可以提高教学效果。“流体力学”作为一门理论性极强的基础课程，传统的考核通常采用平时考核与期末闭卷考试相结合的方式，两者所占比例通常为30%与70%。平时考核主要是学生的出勤率与作业完成情况，而期末考试主要是卷面所取得的成绩。这种考核方式存在一定的问题，不仅不能激发学生的学习热情，在某种程度上还会使学生产生抵触心理。由于流体力学中有大量的经验公式和图表，如阻力系数计算公式与莫迪图、纳维-斯托克斯方程等，若采取闭卷考试，则势必要求学生背熟这么多的公式，容易陷入死记硬背的怪圈。

事实上，这部分内容的教学要求是让学生能熟练应用这些公式和图表解决工程实际问题，而不需要死记硬背。因此，在考核方式中可以尝试平时开卷考核与期末闭卷考核相结合的考核方式。即将不适合闭卷考试的一些无法记忆而又要求学生掌握与应用的内容，放在平时教学中进行开卷考核，而将一些基本原理、基本概念、基本计算方法的考核放在期末闭卷考试中。这样，一方面，通过平时不定期的考核能提高平时学生的出勤率，另一方面，通过平时考核也可以激发学生平时的学习兴趣，提高学习效率；此外还可以通过考核及时发现问题，改善教学方法。通过这样的考核方式，既能激发学生平时的学习兴趣，同时还可以提高教学效果，考试结果能较真实地反映学生对本课程知识的掌握和应用能力。

四、结语

教学不仅是一门科学，也是一门艺术。每一种教学模式都有其特定的适用范围和条件。流体力学作为工科院校相关专业的一门主干技术基础课，由于其理论性强、概念抽象、经验公式多，给其教与学带来难度。如何根据专业特点将其与各专业培养目标进行有机结合，通过教学模式的探索使其教学融入到各专业人才培养中，将是“流体力学”教学模式改革的进一步目标。

参考文献：

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[2]刘立平，师少鹏.传热学课程教学的改革探索[J].高等农业教育，

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关键词：石墨烯；量子输运；流体力学方程；剪切粘

石墨烯由于其准粒子的无质量相对分散特性和高迁移率吸引了各界关注，并且它还显示出了一系列优异的性质，如：超高的导电率[1]；剪切粘度与熵之比超低[2]；不仅有特殊的结构强度，而且结合了力学灵活性[3]和光透明度[4]。最近的研究显示石墨烯提供了一种特有方式，去观察在适度的高温下，极端相对论粒子的等离子体输运特性[5]。如将纯石墨烯设在一个特定的参数空间，则其费米表面收缩至两点，且在许多其他方面的表现，也与接近更复杂量子临界点的系统非常相似[6]。由于石墨烯的无质量狄拉克（Dirac）粒子，其相对极端夸克-胶子等离子体性质也很特别。通过对这些性质的分析和计算可以推导出其流体力学方程。

1 性能介绍

剪切粘度η用来测量流体阻值，从而建立横向速度梯度，见图1，粘度越小则其流体力学越趋于复杂。类似于导体的电阻率，粘度通过降低速度场中的多相性而引出熵增率。虽然η=0的理想流体不存在，但能找到非常接近于理想流体的完美的流体。

（b）在一个分源点和漏极点保持在±V/2的四点几何形中，不均匀电流的预期分布。当没有粘性和其他非局域效应时，电流将与外加电压V成比例，与两点之间的距离L无关，而粘性效应随着L减小而减小。

粘度的单位为？捩n，其中，n表示密度。为了量化剪切密度的大小，通常将η/？捩与热激励nth比较，nth可以通过熵密度计算，s～kBnth。受石墨烯在RHIC实验[7]中优异性能的启发，Kovtun等人提出广泛系统中η与s之比的下限[8]：

由于在无碰撞的光学区间？捩ω>>kBT[12]内，电子间相互作用对导电性σ（ω，Τ）的影响非常小，而在相反区间？捩ω

石墨烯中，当能量低于几个电子伏，其电子特性则如Hamiltonian所示：

其中，费米速度υF≈108cm/s， 为动量算子，l=1，…，N为N=4自旋和谷自由度的下标，σ（σx，σy）为Pauli矩阵在蜂巢晶格结构两个底晶格空间的表示。如果没有库伦相互作用，公式（2）则变成自由无质量狄拉克粒子的N类Hamiltonian[14]。

2 流体力学方程推导

接下来讨论在存在库伦相互作用的相对论流体磁动流体力学，在流体力学模型中的响应函数适用于在狄拉克点附近的石墨烯[17]。特征速度υF≠c决定了相对分散，在流体中的（反）粒子的电荷为±e。下面采用υF=e=？捩=1为单位。

由于库伦作用传播速度约为光速c>>υF，所以可认为它是瞬时的，则很显然通过将实验框架设为一个特定的参照系，打破了流体的相对不变性。

上述表达式包含了耗散项νμ，？子μν用来计算热电流和粘性力，P代表压强，ρ代表电荷密度。若无粘性项，则在流体元在类空间入口的压力以及在类时间入口的能量密度这样的静止参考系中，应力能量张量为一个对角矩阵。坐标系中各分量为：

T00=ε，（5）

其中，ε，P，ρ为局域化学势μ（r）的函数，ε表示能量密度，局域温度T（r），磁场为B，μ（r）包含了由不均匀的电荷分布而引起的库伦势。

电荷、能量及动量守恒如下：

其中，电磁场张量，

包含一个由于系统本身的不均衡电荷密度而自发产生的空间变化场：

其中，式（14）中已将统一的本底电荷密度减去。

在坐标系中线性守恒定律则明确表示为：

此外，包含了一个由于微弱杂质散射而产生的弛豫时间τ。电流的本构方程如下：

基于上述推导出的流体力学方程以及石墨烯中电子的量子BTE，分析出了传输系数――流体剪切粘度[18]，也即下述模型中的输入参数。当电子-电子间相互作用主导无弹性散射率时，即低杂质、高温且稳定场情况下，流体力学方法就能有效应用于石墨烯[19]。为了忽略电子-声子间作用，选择在100K左右的合适高温区间[20]。无磁场时，即B=0，准粒子分布函数为f，由BTE，则：

其中，-Ω[f]表示考虑电子-电子间相互作用的碰撞项，

则式（17）、（18）、（19）、（20）可推导为：

其中，式（23）为电荷守恒，式（24）为能量密度守恒，式（25）为动量守恒，ρr（ε+P）/υF2。

3 性能分析

对于纯石墨烯（μ=0），电荷密度由于热能而存在，则可写成，

然而，当石墨烯掺杂时，杂质会使石墨烯样品产生电位，此时，则必须要考虑由于化学势产生的修正，

其中，Φρ为无量纲递增函数。

式（25）中的剪切密度η可由下述方程算：

其中，Cη～Ο（1）为一个数值系数。熵密度可由Gibbs-Duhem关系ε+P=Ts计算，此等式是在|■|

基于式（25），性尺寸为L0的石墨烯样品其动态粘度由式（28）给出，此等式可写成以下形式：

其中，引入特征频率ωf=υF/L0，通过解合适的量子BTE，得Cη？勰0.45[21]。式（29）也可以写成η=Cηqf-2 ？捩/L02，qf？捩ωf/（kBT）。由此，为了应用经典电子流体力学描述，激励能量必须远低于热能，即qf

为了达到这个目的，鉴于式（25），定义雷诺数为：

其中，ν0=υFL0。通过将雷诺数写成Re=υ0L0/ν，与上述方法类似，可得到：

利用η/s=0.2？捩/kB3，qf？勰0.07，则得到ν？勰10-2。尽管石墨烯动态粘度极低，但石墨烯的动力粘度依然大约比水的动力粘度大四个数量级。这四个数量级的差距是由于电子的高速而产生的，也即电子的高速是雷诺数产生高值的最终决定因素。

4 结束语

在本文中，忽略了电子-杂质及电子-声子的相互作用，仅基于对石墨烯中的电子流体力学方程描述，对其剪切粘度、动力粘度、动态粘度及雷诺数进行了探讨，表明石墨烯具有低剪切粘度与熵密度之比、高动力粘度以及低动态粘度。而通过对石墨烯动力粘度的分析，可以看出，在微米级的比例下，雷诺数可以在石墨烯样品中实现高值。在后续的研究工作中，还将对电子-声子、电子-杂质和声子-声子建模及量子输运性能分析。

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关键词：发射架；流体力学

【中图分类号】G712

近些年来由于高压气动捕捉网发射装置这种非致命武器在军事、维护治安和野外勘察等多种领域得到了广泛地应用，这种非致命性武器的相关研究在全世界范围内也受到了越来越多地重视。高压气动捕捉网发射装置的发射架、弹丸拉头的空气动力学特性和流动规律为主要研究对象，基于流体力学、空气动力学和计算流体力学CFD，对发射架、弹丸拉头设计与流场数值模拟相关问题进行了研究，具有一定的经济价值。

高压气动捕捉网发射装置在国外自问世以来，便迅猛占领欧美市场，且目前美、英、法等发达国家和地区在防暴警察身上基本配备了该装置。为完善我国的司法实践，缩小我国和先进国家警察装备的差距，在我国有必要推广使用和研究此装置。

本文先对高压气动捕捉网发射装置进行了详细的介绍，然后建立了发射架的三维流场模型，基于Fluent计算流体力学软件，采用标准湍流模型对发射架进行了三维流场进行了数值模拟，对模拟结果进行了分析及规律总结。先对高压气动捕捉网发射装置进行建模及模型简化，利用FLUENT仿真软件中的流场分析模块对发射架及弹丸拉头进行流体特性研究。在气源及气压不变的情况下，通过仿真改善系统结构，以期模拟得到最高的发射初速度。依据仿真结果，对捕捉网发射装置进行实际优化与改造，这样既可以为高压气动捕捉网的优化设计提供了有价值的参考依据，也可以显着地减少设计成本。对整个流场的流动状态和压力、速度矢量等各种气动参数进行了详细分析，综合考虑，发射架的支撑板上孔的直径为3mm，数量为4个且导流筒的角度为14°时为最优结构，其综合气动性能优异，具有较大的推广价值。

高压气动捕捉网发射装置为便携式捕捉网发射器，其特点是体积小、重量轻、携带方便，以便根据实际需要可捕捉目标，并且此装置是非致命武器，广泛运用于公安的执法工作，也运用于铁路、矿山、资源保护区、工厂、银行、商场及公共娱乐等场所和治安保卫工作，在需要制止或捕捉犯罪嫌疑人时，当目标一进入发射的有效距离时，就可对准目标按下开关按钮，射出捕捉网，即能将目标罩住。

高压气动捕捉网发射装置以压缩气体为动力，利用气体压力释放产生的动力，将气体压缩到钢瓶中，利用空气管里的针尖扎破钢瓶，使高压气体释放在整个空气管和回帽里。然后将引发机构上的开关按钮处于开的位置，摁下按钮，打开保险锁，让高压气体穿过引发机构到发射架中，推动8个橡胶拉头带动捕捉网呈一定角度向前运动。网在运动过程中迅速张开，遇到前方目标时，捕捉网的橡胶拉头由于惯性作用，自动盘罩目标，从而达到抓捕目标的效果。

建立高压气动捕捉网装置中的三种外形弹丸拉头的三维实体模型、二维流场模型的构建，基于计算流体力学软件Fluent，采用RNG湍流模型对弹丸拉头进行了二维定常流场数值模拟分析，得到了整个流场、弹丸拉头附近的流动状态和压力、速度矢量等分布及阻力系数等重要气动参数和重要气动规律。数值仿真研究具有可行性，流线型弹丸拉头综合平衡了阻力、压强、速度等诸多因素，具有优良的综合性能。

在完成了高压气动捕捉网发射装置发射架和弹丸拉头结构优化的基础上，改善高压气动捕捉网装置的密封性能。将高压气动捕捉网装置空气管中的U形圈改为V形圈。这些研究结果对此装置的改进具有重要的指导价值。

以高压气动捕捉网的发射架、弹丸拉头的空气动力学特性和流动规律为主要研究对象，对发射架和弹丸拉头的设计与流场数值模拟相关问题进行了研究。其综合气动性能优异，具有较大的推广价值。建立了高压气动捕捉网装置中的三种外形弹丸拉头的三维实体模型、二维流场模型的构建，并进行了精细的网格划分，基于计算流体力学CFD软件Fluent，采用RNG湍流模型对弹丸拉头进行了二维定常流场数值模拟与分析，对整个流场、弹丸拉头附近的流动状态和压力、速度矢量等各种气动参数进行了详细分析，得出了阻力系数等重要气动参数和重要气动规律。数值仿真研究具有可行性，流线型弹丸拉头综合平衡了阻力、压强、速度等诸多因素，具有优良的综合性能。

研究结果既揭示了弹丸拉头的一般气动规律，为研究高压气动捕捉网装置空气动力学提供了一种较为直观和有效的方式；又证实了数值模拟的可信度，为高压气动捕捉网装置的设计、改进及研发工作提供了技术参数和新的研究思路。

介绍密封技术，并对O形和V形三种密封圈特点进行简单说明，为高压气动捕捉网装置密封性能的改善提供基础理论知识。然后对高压气动捕捉网装置空气管密封性能进改进，将O形圈改为V形圈。

高压气动捕捉网发射装置，对于高压气动捕捉网发射装置结构的发射过程是一项众多因素相互作用相互制约的过程，因为各种参数都会影响二氧化碳气体速度的大小，而流场中流体的层流和紊流随速度不同而变化。本文在高压气动捕捉网发射装置的仿真实验和真实实验分析方面做了一些相关的工作，但由于自身条件及实验条件的限制，本文在如下方面还存在不足或需要进行进一步深入的研究、拓展和完善：1.限于实验条件的限制，本文未进行改进后装置的实际发射实验，仅采用Fluent进行数值模拟的验证。这影响了本文的完备性及数值模拟的可信度。后续研究应与改进后装置的实际发射试验相结合。

使用Fluent对发射架进行仿真时，为了更方便得到仿真结果，未考虑当地气温对整个发射过程的影响，后续研究应考虑不同地方的气温对发射过程的的影响，这样能更接近真实情况。

参考文献：

篇5

关键词：船舶；风轮机；圆筒型风帆；贝壳式风帆；风帆助航；流体动力；有限元分析

Advanced Surface Sail Assisted System and Structural Design

ZHANG Guangyin, HU Yihuai, CUI Shuang

( Shanghai Maritime University, Shanghai 200135 )

Abstract: Along with the development of automation technology, there are three possible development directions. First, adaptive control to sail would be realized by computer. Second, sail and power plant's combination would be optimized for economic speed. Third, the factors of manipulation, line sail application and promotion would be possible .The type line of sail in modern design has great improvement, just like wing shape, combination wing type, circular arc form of cylinder type, shutters, and the wing of high lift. In the design of circular arc sail, by taking the fluid dynamic characteristics of the numerical analysis and wind tunnel test results, we have improved the type line and analyzed the windward central unloading. We use the Pro\E to sail of 3d surface design. By the analysis software we analyze shells on the wind pressure type sail distribution of numerical analysis. The results of numerical analysis coincide with test results in wind tunnel, which can be the guidance for the development of sail assisted propulsion.

Key words: Ship; Wind turbines; Circular arc sail; Shell type sail; Sail assisted; Fluid dynamics ; FEA

常规远洋船舶大多采用柴油机和燃气轮机作为主动力装置，少数特殊工种船舶采用核动力装置，但核动力目前有诸多因素制约其在节能减排方面的应用。风能作为开发潜力巨大的一种清洁能源，若能实现高效大范围利用风能将会长久可持续性地造福人类及地球环境。

随着电子计算机和自动化技术的发展,风帆助航系统在以下方向发展成为可能：① 利用计算机实现对风帆的自适应操纵；② 风帆与主动力装置的优化配合，以经济航速航行；③ 随着自动化程度的不断提高，复杂型线风帆的应用和推广成为可能。风帆的型线设计在近代有着较大的改进，早期的布帆有三角形、梯形桁或尾斜桁等，目前有骨架式风帆：机翼形、组合翼型、圆弧型[1]（上海海事大学2009）、圆筒型（日本）、百叶窗型（上海海事大学2010）、多翼面高升力型等，还有风筝式（德国“天帆”2010.4）风轮机助航（德国Wagner 250kW双叶片2008）均采用了微机自动控制系统。

1 风帆的坐标系和空气动力分量

分析风帆的空气动力，在风轴航向坐标系中可由各个力和力矩分量表示。坐标系如图1所示，直角坐标系O-LDZ，其原点O位于模型底板中心，Z轴竖直向上，在水平面内的L轴为升力方向，D轴为阻力方向。风向角a规定为风速矢量与帆平面方向的夹角(几何攻角)， 为风帆转角。

空气动力被分解为升力FL、阻力Fd两个分力和弯矩ML、Md和扭转 三个力矩，MZ力矩的参考点为坐标原点O。对应于升力和阻力的空气动力系数： （1）

（2）

式中，S为风帆面积； 为空气密度；V为风速。

2 复杂型线设计目的

1）克服风帆在风向与航向小角度攻角（0o~10o）情况下“之”字形航行路线的缺点[2]；

2）实现风帆在风向与航向大角度攻角（100o~145o）情况下能有较大的升力；

3）应急风力发电，实现主动力装置发生故障时，船员可人工轻松操帆，为空压机、应急蓄电池、空调等系统供电。

3 贝壳式风帆方案要点

1）由风帆迎风面的中下部挖洞，用以卸除一部分风力载荷，实现船舶在航向-风向小角度攻角情况下的直线航行，同时起到减震、船体防侧向倾覆的效果[2]；

2）在风帆迎风面的中部洞口加设风轮机，综合翼型风帆与圆筒式风帆原理：迎风面上的压力沿着叶轮旋转方向，顺风力方向逐渐减小[1]，配合风帆起到助航作用；

3）该风轮机可根据风速、风向，由计算机系统自动调节叶片螺旋角，产生基本稳定变化的感应电动势，实现应急发电；

4）采用雷达式旋转底座实现水平旋转；带有自锁功能的二维连杆机构实现迎风面高低位切换；见附图

5）采用嵌入式气动遥控与人工手动控制两种模式，实现船舶在复杂工况下的助航作用。

4 圆弧形风帆流体力学的数学模型

利用ANSYS的 模块对风帆的流体动力特性进行数值模拟[3-6]。为分析圆弧形风帆流体动力学特性，应用较为广泛的 紊流模型，数值分析圆弧型帆的结构尺寸和风力参数变化等对风帆的流体动力性能的影响。并作以下假设：① 船舶在航行时风的流场是稳态的；② 空气视为不可压缩流体；③ 受风力作用时，忽略风帆的温度变化及影响；④ 忽略船舶稳态对风帆流体实时性能的影响。

圆弧形风帆流体动力学性质的 紊流模型的控制方程[9]。

连续方程:

动量方程：

K方程：

方程：

式中： 为速度矢量； 为流速矢量 在三个坐标方向上的分量；i, j = 1, 2, 3分别代表三维直角坐标系的三个方向；P为压力； 为密度； 分别为分子动力粘度和湍流粘性系数； 为常数，数值见表1，风帆迎风面主视图、俯视图见图3、图4所示。

5 有益效果

1）较普通硬软帆增加了有效航程比例以增加经济性；

2）添加应急发电装置以辅助人工操帆，增加船舶在恶劣海况突发停车情况下的安全可操性；

根据最佳对首转帆角度的计算公式[7,8]。上述最佳转帆角只是从帆本身的性能出发考虑的，并未考虑与船体的动力平衡或匹配的问题，因此，只能讲与最佳值相距不远。因为如果帆的流体动力与船体的流体动力不平衡，船速和漂角均可能有变化，这样，相对风风向角也与原来的不一样。

普通帆船在不同的真风航向角时可达的最大航速画成极线图则如图6[2]，一艘好的普通帆船在4个罗径点(1罗径点等于11o15')的真风航向角或更小一些仍能航行，通过反复的换抢，帆船可沿“之”字形航线驶向上风目标。由图5也可看出，帆船在横风（β=110o~140o）行驶时比顺风要快些，原因是横风时帆的有效推力比顺风时更大。

贝壳式风帆若单纯采取中部卸载，在该种小角度真风航向角情况下最大推力不及普通风帆，但由于此时帆体处于横倾状态，硬质骨架的帆体重心下降横低，且可以伸出侧舷，增加船体稳定性 。

随着化石燃料的枯竭以及与日俱增的能源需求，应对全球气候变暖的挑战，我国的航运事业节能减排已刻不容缓，建造节能环保型船舶已经成为趋势。为实现可持续发展新能源的开发已势在必行，以风能作动力直接带动各种机械系统的装置如风力助航、风轮机发电已成为研究的热点，许多国家已经走在了前列。如日本设计出商用风帆助航船舶“新爱德号”。研究表明，风帆助航技术的应用可以降低燃油消耗，提高船舶的环保特性。据统计，由于利用风帆而得到的节能效果约15%左右，每平方米风帆面积平均获得的功率约0.22～0.3 kW。目前，现代船舶以机主帆副为宜，即是通常所称的风帆助航节能船舶。

贝壳式风帆是剖面为不规则型线的圆弧形风帆。这种风帆装于现代船上，与其自动控制系统一起合称为风帆助航节能装置系统。对贝壳式风帆这种圆弧型硬质风帆的拱度和所受风力几何攻角等参数的研究仍需更深一步的分析，并将会在以后的风洞试验中的实验结果进行比较。

6 结语

采用k-e紊流模型方程描述一种复杂型线设计的圆弧型风帆受风力时的流体动力学特性，对圆弧型风帆迎风面上的压力分布、风帆产生的升力和阻力的特性进行了数值分析，由分析结果可见：

1）顺风力方向时，贝壳式风帆迎风面上的压力沿着纵向轴线压力向四周递减，同时中部卸载区压力受风轮机叶片螺旋角影响较大。

2）船舶迎风航行时，由于风帆表面受力的不均匀性，受风力后，风帆产生的作用力转化为船舶驱动力的升力和阻力。受风力攻角的影响，单个贝壳式风帆产生的升力存在一个最大值，大于风帆产生的阻力，有利于增大船舶的驱动力。因此，在大角度迎风航行中，应根据风向实时调帆旋转支架转角，使风帆受风力后产生较大的船舶驱动力，实现风帆产生驱动力实时大于其产生的阻力。

3）当风向攻角不变时，风轮机旋转平面与风向的夹角不同，风力对风帆的侧推力也会不同，当风轮机旋转平面相切于风力场是，产生最大侧推力。适时改变贝壳式风帆中部风轮机的旋转平面角度能够实现大角度甚至180o风向攻角附近仍能获得正推力，有利于风帆驱动船舶迎风航行。同时还能辅助舵机工作，实现航线快速转向。

4）对于复杂型线风帆的设计，要以先进的三维曲面软件为依托，通过建立模型进行数值分析，进而通过仿真得出结论，随较之于风洞试验有数据偏差，但可为开发商用风帆助航节船舶能提供一定的方向指导作用。

参考文献

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王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京: 清华大学出版, 2006

作者简介：张广印（1986-），男，硕士生，研究方向：船舶与海洋工程

胡以怀（1964-），男，教授

篇6

摘 要 高能闪光照相是诊断致密物质内部几何结构和物理特性的最有效技术.高能质子照相在穿透能力、材料识别、空间分辨率等方面都优于X射线照相，已经成为美国先进流体动力学试验装置的优先发展对象.文章详细介绍了高能质子照相方案及其研究进展.

关键词 光电子学，质子照相，综述，质子加速器，磁透镜 

AbstractHigh-energy flash radiography is the most effective technique to interrogate inner geometrical structure and physical characteristic of dense materials. It is shown that high-energy proton radiography is superior to high-energy x-ray radiography in penetrating power， material composition identification and spatial resolution. Proton radiography is taken as a leading candidate for the Advanced Hydrotest Facility by the United States. The project and current development in high-energy proton radiography is reviewed.

Keywordsoptoelectronics， proton radiography， review， proton accelerator， magnetic lens

1 引言

高能闪光照相始于美国的曼哈顿计划（Manhattan project），并持续到现在， 它一直用来获取爆轰压缩过程中材料内部的密度分布、整体压缩的效果以及冲击波穿过材料的传播过程、演变和压缩场的发展的静止“冻结”图像.这一过程非常类似于医学X射线对骨骼或牙齿的透射成像.高能闪光照相有两个显著特点:首先，照相客体是厚度很大的高密度物质，要求能量足够高;其次，客体内的流体动力学行为瞬时变化，要求曝光时间足够短.

目前，世界上最先进的闪光照相装置是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的双轴闪光照相流体动力学试验装置（DARHT）［1］.它是由两台相互垂直的直线感应加速器组成的双轴照相系统，一次实验能从两个垂直方向连续拍摄4幅图像，并且在光源焦斑和强度方面都有提高.但是，DARHT也仅有两个轴，这是获得三维数据的最小视轴数目，最多只能连续拍摄4幅图像，不能进行多角度多时刻的辐射照相，获得流体动力学试验的三维图像.而且DARHT的空间分辨率受电子束斑大小的制约.由于电子相互排斥，电子束不能无限压缩，束流打到转换靶上，产生等离子体，使材料熔化，这在一定程度上扩展了束斑直径，从而使X射线光斑增大.估计最小的电子束直径为1—2mm，制约了空间分辨率的提高.

研究人员希望实现对流体动力学试验进行多角度(轴)、每个角度多时刻(幅)的辐射照

相，从而获得流体动力学试验的三维动态过程图像.l995年，美国LANL的科学家Chris Morris提出用质子代替X射线进行流体动力学试验透射成像［2］.首次质子照相得到的图像，其非凡的质量出乎发明者的预料.后续的研究和实验也确认了这项技术的潜在能力.据Morris回忆， 20世纪90年代初期武器研制计划资助了一项中子照相研究.其立项的主要思想就是利用高能质子、中子和其他强子的长平均自由程，使其成为闪光照相的理想束源.Steve Sterbenz从这个思路出发，研究了使用中子照相进行流体动力学试验诊断的可能性.然而即使使用质子储存环(PSR)的强脉冲产生中子，中子通量都不足以在流体动力学试验短时间尺度下获得清晰的图像.当时的洛斯阿拉莫斯介子物理装置(LAMPF)负责人Gerry Garvey听到这种意见的第一反应是“为什么不用质子？” Morris将这些思想统一起来，利用高能质子束实现流体动力学试验诊断的突破，就是水到渠成的事［3］.Morris指出:质子照相的实施应归功于现代加速器具有产生高能质子和高强度质子的能力.促使发展质子照相技术最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的质子照相所需的磁透镜系统［4］，以及Nick King 在武器应用中发展改进的快速成像探测系统［5］.

高能质子束为内爆物理研究提供了堪称完美的射线照相“探针”，因为其平均自由程与流体动力学试验模型的厚度相匹配.射线照相信息通过测量透过客体的射线投影图像来获取.如果辐射衰减长度过短，则只有客体外部边界能够测量；如果辐射衰减长度过长，则没有投影产生.质子照相为流体动力学试验提供了一种先进的诊断方法.

2 质子与物质相互作用机制

高能质子与物质相互作用的机制是质子照相原理的基础.首先，需要从质子与物质的相互作用出发，对质子在物质中的穿透性和散射过程进行分析研究.

所有质子都在被测物质内部并与其发生相互作用.质子与物质的相互作用分为强作用力和电磁作用力［6］.强作用力是短程力，质子与核的强作用力分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种:

如果是弹性碰撞，以某种角度散射的质子保持其特性和动量，质子因受核力的强大作用，会偏转很大角度， 这种现象叫做核弹性散射（如果采用角度准直器，这部分贡献可以忽略）；

如果是非弹性碰撞，质子被吸收，也就是说，损失大部分能量分裂核，产生亚原子粒子——π介子.当质子能量达到GeV量级，质子与原子核的强相互作用占主导地位.质子与物质原子核中的质子和中子发生非弹性核相互作用，造成质子束指数衰减，其衰减规律可表示为

NN0＝exp-∑ni=1liλi，(1)

其中N0，N分别为入射到被测物体上的质子通量和穿过被测物体的质子通量; λi和li分别为第i种材料的平均自由程和厚度.当质子能量达到GeV量级，核反应截面几乎不变，单就穿透能力而言， 质子能量达到GeV量级就足够了.核反应截面不变有利于质子照相的密度重建，因为质子在客体中的散射过程可能导致质子能量发生变化.

由于质子带电，它也通过长程电磁作用力与物质相互作用. 当质子能量达到GeV量级时，电磁作用只能产生很小的能量损失和方向变化:

质子与原子核的库仑力作用称为弹性散射，穿过原子核的每个质子，即使和核并不接近，也能导致质子方向发生小的变化，每个小散射效应可以累积，这种现象叫做多重库仑散射. 多重库仑散射的理论由Enrico Fermi在20世纪30年代建立.质子与原子核之间的库仑力作用发生多重库仑散射，多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20，(2)

式中θ0为多次散射角的均方根值，可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi，(3)

式中p为束动量，β是以光速为单位的速度，Ri是材料的辐射长度，其值近似地表示为

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z)，(4)

其中A是原子量，Z是原子序数.多重库仑散射的结果很重要，特别是对重物质，最终导致图像模糊.另一方面，因为Ri与材料的原子序数有关，也正是这个特性使质子照相具有识别材料组分的独特能力［7］.

质子和电子之间也会产生库仑力作用，通常是非弹性的.因为电子质量与质子相比很小，库仑力的作用使电子方向和速度产生跃变，而对质子的方向和能量只产生缓变. 也就是说，质子通过电离原子(把电子击出轨道)，损失小部分能量.这种作用不会导致质子运动方向大的改变，但会导致质子能量的减少.20世纪30年代著名的贝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解释了这种机制.能量损失依赖于质子束能量，能量损失速率与它的动能成反比.质子束穿过厚度为l的材料时，能量损失为

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

当质子能量达到GeV量级，dT/dl的值几乎与动能无关.如果E和T以m0c2为单位，p以m0c为单位，则

E=T+1，E2=P2+1.(6)

因此，能量损失引起的动量分散为

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

质子通过物体后损失能量，发生能量分散.磁透镜对不同能量的质子聚焦位置不同，也将导致模糊，这就是所谓的色差［8］.

3 质子照相原理

质子照相原理与X射线照相原理都是通过测量入射到被测物体上的粒子束衰减来确定被测物体的物理性质和几何结构.

由于多重库仑散射，穿过被照物体的质子束有不同的散射方向，形成一个相对于入射方向的锥形束，需要磁透镜系统才能成像.如果质子照相的模糊效应持续存在的话，质子照相的潜力可能永远不会被发掘出来.1995年，Morris发现磁透镜能使质子聚焦进而消除模糊效应，最初进行的实验证实了他的观点的正确性.后来， LANL的另一位物理学家John Zumbro改进了磁透镜系统的设计方案，称为Zumbro透镜［4］. 

Zumbro透镜的主要优点是它的消色差能力.加速器产生质子束并非是单一能量的束流，实验客体对质子的散射增加了质子能量的分散，不同能量的质子具有不同的焦距，导致图像模糊.基于这样的考虑，Zumbro采用在入射质子束的路径上增加一个匹配透镜(matching lens)，匹配透镜的设计使得入射到被测物体上的质子束具有角度-位置关联，即质子与透镜光轴夹角与质子离轴的径向距离成正比.而且，角度-位置的关联系数与成像系统磁透镜的设计有关［9］. 这样，可以消除由能量分散引起图像模糊的主要色差项.

剩余的色差项为

x=-x0+Cxθ0δ，(8)

式中Cx为透镜的色差系数，θ0为多重库仑散射角，δ为动量的分散.由（3）式和（7）式可知， 多重库仑散射角和动量的分散都与入射质子的能量成反比.因此，为了尽可能减小色差对空间分辨率的影响，质子束的能量越高越好.高能量意味着大规模和高造价，根据空间分辨率随能量的变化趋势以及大尺度流体动力学试验的精度要求，LANL为先进流体动力学试验装置 (AHF)建议的质子能量为50GeV.

质子照相技术的关键之处在于其独特的磁透镜系统.图1给出了LANL质子照相磁透镜成像示意图［10］.首先，质子束通过金属薄片扩散，再经过匹配透镜照射到客体(匹配透镜除了减小色差以外，还可以使质子束在击中物体前发散开来，以便覆盖整个物体，避免了使用很厚的金属作为扩束器)，这部分称为照射(illuminator)部分;接着是三个负恒等透镜组，分别是监控（monitor）透镜组、两级成像透镜组.

Tom Mottershead 和John Zumbro论证了可以根据库仑散射角的不同，在透镜系统的某个位置(傅里叶平面)，可以将不同的散射质子束区分开来.在傅里叶平面，散射角等于0的质子位于中心，散射角越大，半径越大.离开这个透镜后，质子就能在空间上聚焦.如果在这个位置平面放置角度准直器，可以将某些散射角度的质子束准直掉，对允许的角度范围进行积分，得到总质子通量为

NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)

第一个角度准直器允许通过的角度范围为［0，θ1cut］，则第一幅图像接收到的质子通量为

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)

第二个角度准直器允许通过的角度范围为［0，θ2cut］，且θ2cut

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)

角度准直器的使用增加了图像的对比度.根据物体的光程调节角度范围，可获得最佳的图像对比度.通过分析两幅图像得到的数据，可以提供密度和材料组分的信息.

考虑到探测器记数服从泊松统计分布，面密度的测量精度要达到1%，则图像平面上每个像素需要的入射质子数应为104，每幅图像大约需要的质子数应为1011. 如果一次流体动力学试验需要获得12个角度，每个角度20幅图像，则每次加速的质子总数达3×1013个.

4 质子照相装置

质子照相技术自1995年首次在美国LANL被论证以来，LANL和布鲁克海文国家实验室(BNL)进行了大量的实验，其中很多次是和圣地亚（SNL）、劳伦斯利弗莫尔（LLNL）以及英国原子武器研究机构（AWE）合作完成的，直接针对流体动力学有关的关键科学问题［11］.实验主要分为两部分:一是在LANL的洛斯阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上进行的小型动态实验（质子能量800MeV），小型动态实验主要包括:高能炸药的爆轰特性实验、金属和材料对强冲击加载的复杂响应实验（包括失效、不稳定性和微喷射等）以及验证内爆过程后期的材料动力学和材料状态的实验；二是在BNL的交变同步加速器(AGS)上进行的用于诊断大尺度流体动力学试验的高能质子照相实验（质子能量12GeV或24GeV）.进行高能质子照相的目的是:发展高能质子照相所需技术，验证采用质子照相进行大尺度流体动力学试验的能力，以及与DARHT进行某些直接的比较.对于厚的流体动力学试验客体而言，质子照相的质量远好于DARHT的照相结果.如果DARHT要获得同样的照相细节，需将其剂量提高100倍.而且比照片质量更重要的是，质子照相具有定量的特性.质子照相因其低剂量、定量的密度重建、亚毫米空间分辨率以及超过每秒500万幅的多幅照相频率等特性而成为新一代流体动力学试验闪光照相设施的必然选择.

LANL为AHF建议的质子照相装置包括质子束源、照相布局、磁透镜成像及探测器系统，图2给出了质子加速器和分束系统方案［12］.质子束源是一台能量为50GeV的同步加速器和12条束线，包括一台H-直线加速器注入器，一台3GeV的增强器和一台50GeV的主加速器.采用快速踢束调制器将质子束从3GeV增强器注入50GeV主加速器，经过同步传输系统和使用分束器将质子平均分成多个子束.最后从多个方向同时照射到实验靶上.质子束穿过实验靶后，磁透镜系统对质子束信号进行分类，由探测系统记录数据.实验布局的复杂性都远远超出了闪光照相实验.

图2 LANL的质子加速器和分束方案

LANL提出的质子照相装置的主要指标:质子束能量达到50GeV，空间分辨率优于1mm，密度分辨率达到1%;每次加速的质子总数达3×1013个，每幅图像的质子数达到1×1011个;每个脉冲的间隔最小为 200ns，质子到达靶的前后误差不超过15ns;每个视轴可连续提供20个脉冲，视轴数12个，覆盖角度达165°.这样，一次流体动力学试验可获得12个角度，每个角度20幅图像.

2000年，LANL给出了发展质子照相的研究计划.整个装置预计投资20亿美元，其中质子加速器系统使用原有的部分设备，需要5678.8万美元.装置的建造时间需要10到15年，分几个阶段进行:2007年前，建造50GeV同步加速器、2个轴成像系统和靶室1;2008—2009年，建造3MeV增强器（booster）、4个轴成像系统和靶室2;2010—2011年，8—12个轴成像系统.从目前的调研情况来看，原计划2007年前完成的任务没能按期完成.因此，这个计划要推迟.最新的研究计划未见报道.

5 质子照相与X射线照相的比较

我们通过与现有最好的流体动力学试验装置——DARHT比较来说明质子照相的特点和优势［13］.

(1) 三维动态照相. 由于质子加速器固有的多脉冲能力和质子束分离技术，因此，质子照相能够提供多个时刻、多个方向的三维动态过程图像.质子照相能够提供超过20幅的图像，这种多幅能力可得到内爆运动过程的动态图像. 而DARHT沿一个轴只能得到4幅图像，沿其垂直轴得到1幅图像.另外，质子照相不需要转换靶，保证了多次连续照相不受影响，而X射线照相由于需要转换靶，需要考虑束斑的影响.

(2) 精细结构分辨.高能质子穿透能力强，其穿透深度和流体动力学试验模型达到理想匹配.相比之下，X射线只有在4MeV能量时才能达到最大图像对比度，此时其穿透能力只有高能质子的1/10. 质子照相能测定密度细微变化的另一个理由是质子散射能得到控制. 散射质子可以被聚焦形成视觉上无背景、对比鲜明的图像.而实验客体对X射线形成的大角度散射无法控制，降低了照相的精度和灵敏度.

(3)质子对密度和材料都比较敏感，可以分辨密度差别不大的两种物质.实际上，质子散射的利大于弊，它能用于识别物质的化学组成.利用两个相同的磁透镜系统和不同孔径准直器串联组成的两级成像系统，通过对两种不同准直孔径得到的数据进行分析，可以提供材料的密度和组分信息.而X射线只对密度敏感，故分辨不出密度差别不大的两种物质.

(4) 曝光时间可调.质子加速器能够产生持续时间为100ps、间隔为5ns的“微小脉冲束”，每幅图像可用8—20个脉冲的时间进行曝光.因此，质子照相可任意选定曝光时间和间隔.内爆初期，研究人员可以选择较长的曝光时间和间隔，对较慢的运动进行连续式“冻结”照相.当内爆速度变快时，可以缩短曝光时间.DARHT的脉冲时间由电路决定，一旦脉冲的时间间隔和持续时间固定，只能以固定的时间间隔照相，研究人员只能指定第一幅图像的时间.

(5)探测效率高.质子是带电粒子，直接与探测介质中的电子相互作用产生信号，因此，很薄的探测器就能将质子探测出来.如此薄的探测介质接收不到被探测客体中产生的中子和 γ光子.

(6)空间分辨率高.X射线照相是X射线穿过样品打到闪烁体或底片成像，没有聚焦过程(事实上，对4MeV的X射线还没有聚焦办法)，图像的空间分辨率由光源的尺寸(焦斑)决定.质子散射虽然也会引起图像模糊，但质子散射是可控的，可以通过磁透镜聚焦成像.磁透镜不仅能聚焦质子，而且能减小次级粒子的模糊效应.但不同能量质子的聚焦不同，也将导致模糊.Zumbro改进了透镜系统，消色差提高了图像品质.对于小尺寸物体的静态质子照相，空间分辨率可到100μm，最近的质子照相实验已达到15μm，并有达到1.2μm的潜力.

6 结束语

质子照相是美国国防研究与基础科学相结合而诞生的高度多用性的发明.质子照相若不是与国防基础研究共同立项，也绝不会有如今的发展.雄厚的武器实验基础能持续提供人员和创新技术.质子照相极大地提高了流体动力学试验的测量能力.它所具有的高分辨率能够精细辨别内爆压缩的细节，多角度照相有利于建立完整的流体动力学模型，多幅连续照相更加容易判断冲击波和混合物随时间变化的情况.近年来，科学家们加紧了对高能质子照相的研究.目前，X射线照相仍然是流体动力学试验的主要设备.总有一天，质子照相将代替X射线照相并对流体动力学试验进行充分解释.

参考文献

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［4］ Mottershead C T， Zumbro J D. Magnetic Optics for Proton Radiography. In: Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference. Vancouver B C， 1997. 1397

［5］ King N S P， Ables E， Alrick K R et al.Nucl. Instrum Methods in physics research A， 1999， 424(1): 84

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［9］ Barbara B， Andrew J J. Chromatically Corrected Imaging Systems for Charged-Particle Radiography. In: Proceedings of the 2005 Particle Accelerator Conference. Knoxville， 2005. 225

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［11］ Morris C L， Hopson J H， Goldstone P. Proton Radiography. Los Alamos National Laboratory， LA-UR-06-0331， 2006

篇7

关键词：InP；HEMT；流体力学模型；特性仿真

1 前言

InP基高电子迁移率晶体管（HEMT），相比与于传统的晶体管器件，以其独特的高迁移率、低噪声、高增益特性，在国防航天、毫米波通信、卫星遥感以及雷达等军民用领域，拥有非常广阔的应用前景[3，4]。本文通过模拟仿真研究 InP基 HEMT 器件的基本特性，包括直流特性，交流特性等，对器件的工艺设计有着重要的意义。目前，国内外对 InP 基 HEMT 进行了制备上的大量研究，但是对器件模型以及仿真平台的研究还有大量的工作，以及其他技术和基础科学上的研究有待进一步进行。

本文的工程中，采用 Sentaurus TCAD 半导体器件模拟仿真软件，针对 InP 基HEMT 建立流体力学模型的模拟仿真平台，通过观察分析仿真的结果，为化合物半导体器件的进一步研究提供了理论支持。

2 InP 基 HEMT 仿真模型分析

半导体器件在仿真的时候使用的物理模型包括传统的蒙特卡罗模型、传统的漂移扩散模型和适合深亚微米器件的流体力学模型。出于计算效率的原因，本文主要使用了流体力学模型模拟仿真了 InP 基 HEMT 的转移特性、输出特性和频率特性。并对其进行了分析研究。

3 In P基HEMT器件仿真特性研究

用Sentaurus TCAD 软件进行InP基InGaAs/InAlAs 材料HEMT 器件的仿真，主要研究分析了其直流特性和交流特性，结果显示该模型能够很好的对目标器件进行特性上的仿真。

本论文所建工程中，器件上层为高掺杂帽层，以减小接触电阻。中间为T型栅，其次为12nm厚InAlAs厚势垒层，再加上Si材料delt 掺杂层，提供沟道层的二维电子气。下面是 3nm 厚 In Al As 材料的隔离层。沟道层材料为InGaAs材料，厚度为15nm。下层为缓冲层和InP材料衬底。

3.1 直流特性分析

图2和图3分别表示不同栅槽深度器件的转移特性，跨导，和输出特性。从仿真结果中可以看出，栅槽越深，阈值电压越大，而跨导值也会变大，输出特性的值会减小。因此，栅槽深度对器件直流特性的影响相当重要，要得到较好的器件特性，应综合考虑栅槽深度对各种参数的影响，从而在器件的实际制作中结合工艺制作相应的尺寸。

不同栅槽宽度对器件特性的影响可由图 4 和图5 显示。根据仿真过程发现，栅槽宽度对器件的转移特性和跨导有很大影响。没有合适的栅槽宽度，会得到很不理想的特性曲线。经过不断的尝试，最终得到合适的栅槽宽度。由仿真结果可发现，栅槽宽度对输出特性的影响并没有跨导那么大。仿真结果符合实际。在实际栅槽腐蚀中，栅槽宽度很难控制，往往材料在横向上是相同的，腐蚀液很容易扩散，因此实际的腐蚀宽度很难把握，而纵向是异种材料，通过选择腐蚀比较容易控制栅槽的纵向深度。

如图6 所示，栅极势垒值对转移特性和跨导的影响仅限于增大减小阈值电压，对跨导的大小并没有影响。从图7可以看出，对于输出特性，不同势垒值影响了其输出值的大小，随着Vd的增大，曲线先增大后趋于稳定。从器件结构可知，势垒的不同使栅极电压对二维电子气的浓度的影响有所变化，因此导致了输出Id的不同。

3.2 交流特性分析

结合实际工艺中的栅槽腐蚀，定义了不同栅槽深度，主要仿真了不同栅槽深度下的fmax和fT，分析了栅槽深度对器件交流特性的影响。

HEMT交流特性中，我们主要关注器件的频率特性，其中最重要的两个指标分别为截止频率fT以及最高振荡频率fmax，截止频率指的是漏极电流的增益h21下降为1时的频率。最高振荡频率fmax时的是晶体管的单向化功率增益为1时的器件工作频率，也是器件所能进行功率放大作用的最高工作频率[5]。

从图8和图9仿真结果可以看出，深槽深度在3nm时的fmax和ft均大于1nm和5nm时，即表明，栅槽深度在一个合适值的时候，fmax和ft才会达到最大值，而且栅槽深度不应该过小，也不应该过大，应处于一个合适的区间。这一仿真结果对实际器件研发有直到性的意义，应综合分析器件各特性，寻找最合适的栅槽深度。据调研，目前数字腐g这一方法可以精确刻蚀栅槽深度，因此对制造理想栅槽深度的器件很有意义。

4 结论

从仿真结果来看，所建立的InP基HEMT器件模型具有良好的半导体器件特性，适用于高频电路。但仍需不断优化改良，后续的工作可进一步放在 HEMT的栅槽。应进一步完善栅槽腐蚀的工艺，确保栅槽腐蚀更为精确，以免与实际要求差异太大而影响器件的应用。在仿真工作中，所模拟的掺杂情况与实际器件可能有一定差异，为更精确的模拟器件，还应该进一步研究所建立的器件模型中的掺杂分布情况，并完善SDE中的模型。

参考文献

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[2]高勇.半导体材料科学中的漂移扩散模型和流体动力学模型分析[D].河南大学，2004.

篇8

摘要：

为了深入研究环空涡动时的流场特性，根据流体力学理论，以连续性方程和N-S方程为控制方程，利用计算流体力学技术对钻柱涡动时环空赫巴流体的流动进行了系统的数值模拟，研究了不同公转方向下钻柱偏心度的变化对环空切向速度剖面与合速度剖面的影响。通过对模拟数据的对比分析，发现不同公转方向下环空流场分布截然不同，正向公转时切向速度在环空宽间隙处随着公转速度、自转速度和偏心度增大正向增大；反向公转时会出现二次流，切向速度在环空宽间隙处随偏心度的减小整体反向减小，同时二次流趋势越明显，摩阻压耗越大。合理应用这些规律有助于完善现有钻井水力学理论，更好地揭示井下环空流场特性，并为钻井水力参数优化设计提供有效的理论指导。

关键词：

涡动；环空；赫巴流体；摩阻压耗；数值模拟；流场

钻进过程中钻柱在井筒内一般会出现涡动，即在地面转盘带动下顺时针自转的同时还绕井眼轴线公转。涡动的出现以及公转的半径（即涡动时钻柱的偏心度）和方向（顺时针方向、逆时针方向）就目前钻井水平而言无法控制且很难预测，通过实验难以揭示其内部规律，最可行的方法是借助数值模拟技术进行研究［1-5］。因此研究涡动时的偏心度对由自转旋流场、公转旋流场和轴向流场叠加而成的环空真实流场［6-12］的影响有助于完善现有钻井水力学理论，更好地揭示井下环空流场特性，并为钻井水力参数优化设计提供理论指导［13-16］。

1环空流动的建模与模拟

1.1钻井液模型为更好地描述非牛顿不可压缩流体的流变特性，采用了更为合理的赫巴流变模式，该模式也可看作修正的幂律模式。

1.2几何模型数值模拟所涉及到的几何尺寸均采用现场实际尺寸，钻柱外径139.7mm，套管内径244.0mm，环空长度15m，其他参数见表1。选取15m长的环空钻井液作为研究对象，采用基于交错网格的SIMPLEC算法对连续性方程和N-S方程进行离散化，动量方程的对流项进行离散化时为保证计算精度，采用二阶格式；建立的网格几何模型如图1。设置3类边界类型：速度入口边界，压力出口边界以及旋转壁面边界，设定该边界绕其自身轴线自转的同时绕井壁轴线公转，井壁为静止壁面，所有壁面都简化为无滑移水力光滑的壁面，且近壁面处的网格加密划分，采用柱坐标系，对称轴为z轴，按照速度分量方式设定速度入口值［20］。

1.3流动模型将流体视为不可压缩流体，且具有一定的黏度值和密度值，不考虑传热和重力的影响［21］。用连续性方程和N-S方程共同描述环空流动，基于有限体积法的思想进行离散。由于涡动时的环空流场属于复杂的旋流场，流体质点脉动程度较高，因此采用湍流两方程模型中的Realizable模型，该模型能够有效地将湍动黏度模型中的系数与应变率耦合起来，能够更为精确地描述包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流、管道内流动、边界层流动以及带有分离的流动。因此文中采用Realizable模型［22］。

1.4环空流动的数值模拟涡动时自转和公转坐标系都遵循右手准则，规定转盘自转为顺时针方向，以此作为旋转正方向，钻柱在井眼内的公转根据已有研究的描述有顺时针和逆时针2个方向，当公转为顺时针时，与自转方向一致，根据右手准则，为正向涡动，反之为反向涡动。为更好地研究不同偏心度下流场的变化规律，设置其余钻井参数在合理范围，如表2。取15m长偏心环空钻井液距入口9m处横截面上沿对称轴的剖面进行分析，横坐标0表示井筒中轴线。

2钻柱涡动时环空流场特性分析

设井筒圆心为O1，钻柱圆心为O2，井筒半径为R，钻柱半径为r，偏心距为h，公转速度为ω1，自转速度为ω2，P1为最宽间隙处对应的钻柱外壁面位置，P2为最窄间隙处对应的钻柱外壁面位置。设图2中时刻的自转线速度方向为正方向，根据分析可知：

2.1偏心度对流速剖面的影响分析模拟数据发现，其他条件不变时，随轴向流速增大，环空内宽窄间隙处合速度剖面变化规律与一般环空流动相同，由于径向速度较小且变化不明显，本研究未作讨论。下面着重分析涡动时的偏心度及公转正反方向的变化对环空气场的影响。设定环空钻井液密度为1.0g/cm3，轴向流速为2.0m/s，公转速度为18.84rad/s，自转速度为18.84rad/s，考查偏心度分别为0.32、0.64、0.95时各流动参数剖面的变化规律。切向速度剖面：偏心度增大，宽间隙处切向速度剖面变大变宽，窄间隙处的切向速度剖面整体增大，钻柱外壁面在宽间隙处根据式（3）的推导切向速度越小，在窄间隙处根据式（4）的推导切向速度越大，如图3a。合速度剖面：偏心度增大，宽间隙处合速度剖面整体增大，窄间隙处合速度剖面整体减小，钻柱外壁面在宽窄间隙处的变化规律同切向速度的变化规律，如图3b。设定环空钻井液密度为1000kg/m3，轴向流速为2.0m/s，公转速度为–18.84rad/s，自转速度为18.84rad/s，考查偏心度分别为0.32、0.64、0.95时各流动参数剖面的变化规律。切向速度剖面：随偏心度增大，宽间隙处的切向速度剖面整体反向增大，窄间隙处的切向速度剖面先增大后减小，钻柱外壁面在宽间隙处根据式（5）的推导切向速度正向增大，在窄间隙处根据式（6）的推导切向速度减小，井壁处切向速度为0，如图3c。合速度剖面：随偏心度增大，宽间隙处合速度剖面整体增大，窄间隙处的合速度剖面整体减小，钻柱外壁面宽窄间隙处的变化规律同切向速度的变化规律，如图3d。

2.2二次流的分析反向公转时，宽间隙钻柱外壁面附近的流体质点跟随钻柱自转呈正向旋转，此处的切向速度为正值，但在远离钻柱外壁面的区域，由于钻柱正向自转的趋势弱于反向公转的趋势，故此区域的流体质点跟随钻柱反向公转，所以此处切向速度为负值，如图3c所示。在宽间隙区域，同时出现正反2个方向的切向速度，两股不同方向的旋流在环空窄间隙的两侧分离与汇合，使得环空宽间隙处出现一个明显的大涡，环空窄间隙处由于钻柱旋转壁面带动的旋流将本应对应出现的另一个不对称的小涡淹没，最终形成了不对称的二次流，如图4所示。反向公转时，其他参数不变，偏心度越大，越不容易出现二次流。宽间隙处二次流产生的大涡越靠近旋转钻柱外壁面，同时二次流的分离与汇合点越靠近窄间隙处，当偏心度大到一定程度后，钻柱的正向自转趋势被二次流在宽窄间隙处的反向流动趋势完全包裹且基本抵消掉，此时状态与偏心环空自转的螺旋流场（自转方向为反向，自转速度大小同公转最为接近。二次流的明显出现使得环空流体质点的脉动趋势进一步加强，随着偏心度减小，钻柱正向自转趋势越不容易被抵消，二次流趋势越明显，偏心环空流动的摩阻压耗将进一步增大。

3结论

篇9

关键词：深水钻井 钻柱动力学 耦合 有限元 影响因素

中图分类号：TE24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0030-02

由于地球海洋蕴藏着丰富的石油资源，我国逐渐重视深水石油的勘探开发技术，为了确保深水钻井的安全钻进，深水钻井钻柱的强度问题引起了当代研究者的关注。1992年，据现场调查测试，每年至少发生钻柱失效事故500起，直接经济损失4000万元以上[1]。何况深水作业环境复杂，钻柱失效问题带来的经济损失更加不可估量，与钻柱静力学相比，钻柱动力学能准确反映井内钻柱实际工作状态。由于深水钻井钻柱较长，底部钻柱振动较大，上部隔水管、平台的无规则运动也加剧了钻柱的振动，故了解深水钻井钻柱动力学机理，对分析钻柱实际工作状态尤为重要，为优化钻具组合与安全高效钻进提供了依据。

1 深水钻井钻柱振动机理

1.1 深水钻井钻柱纵向振动

深水钻井钻柱的纵向振动是由于钻头旋转所引起的纵向振动和动载，底部钻柱纵向振动使钻压不能均匀地加在钻头上，钻头由于钻压的剧烈跳动而容易脱离井底，这就是所谓的跳转，跳转会产生冲击载荷[2]，迫使钻头轴承和镶齿过早地破。当深水钻井钻柱的纵向振动比较严重时，往往还引起深水钻井井口，乃至海洋平台的强迫振动，严重时甚至引发钻井事故。研究牙轮钻头时，牙轮钻头沿波状井底旋转所引起的纵向跳转与动载，单双尺交替接触井底产生上下振动，通常钻柱纵向动力学问题是学者研究钻柱受力与疲劳失效的主要因素。若在涡轮钻井工程中，钻柱可能会发生纵向共振，当钻压近于水力载荷下，小质量的钻头在波状井底高速旋转跳动，反射波与激振波相互叠加，加上涡轮钻具的软特性，纵向共振会频繁发生。若考虑钻柱内、外的流体会对钻柱引起附加压力，计算存在阻尼和无阻尼钻柱纵向振动频率，可以看出钻井液流体会使钻柱纵向振动频率降低，当然必要时也应该考虑钻井液流态的变化，同时应该注意钻柱是否发生轴向反复跳动[3]。深水钻井上端与海洋接触，在钻井平台中心位置随海流漂移的过程中，钻柱损坏比较明显，钻井平台的升沉、漂移和扭转使钻柱中产生了疲劳载荷，其中钻井平台的升沉运动影响作用最大，当集中应力达到钻柱所允许的极限，钻柱的失效现象可能难以得到控制。总的来说，钻井平台会随着海流的浮沉作用带动钻柱做非线性周期运动，这样钻柱在轴向上的运动就是非线性无规则运动。

1.2 深水钻井钻柱横向振动

深水钻井底部钻柱横向振动的主要原因是钻柱出现质量不平衡现象。井眼偏心、下部钻具组合的初始曲率、钻具磨损、弯接头的使用[4]等都会轻易导致钻柱的质量不平衡，结果将会产生一个离心力，离心力会强迫钻柱与井壁接触碰撞，钻杆接头或钻铤沿井壁作无滑动滚动摩擦，将会产生反转运动，钻柱的反转运动是钻柱动力学问题中最严重的一种，它会造成钻柱运动状态复杂，从而造成它严重的变形和受力，主要钻柱反转运动的危害有：加速钻柱的弯曲疲劳破坏；加速钻柱接头盒套管的磨损；造成钻柱的冲蚀破坏等等[5]。当钻柱处在屈曲条件下，底部钻柱会与井壁相接触，如果与井壁作用力达到一定值时，底部钻柱可能绕轴心做旋转运动，从而带动钻柱做螺旋状旋转运动。通过分析，钻柱横向运动并不规律，离心力和井壁接触摩擦力的变化将会发生钻柱涡动现象。如果井壁接触力摩擦促使钻柱与自转方向相同的涡动，即为向前涡动；接触作用力引起与自转方向相反的涡动，即为向后涡动。

综上所述，深水钻井钻柱横向振动会使钻柱与井壁接触产生离心力、摩擦力等附加作用力，而离心力的存在会影响钻柱的弯曲变形，钻柱弯曲变形会产生轴向应力的变化，促使钻柱在轴向上发生交替变化，周期性拉伸应力的改变加剧对钻柱强度的影响。而与井壁接触的摩擦力大小和方向直接导致了钻柱会发生向前涡动还是向后涡动，很难预防和停止涡动现象，应该尽量避免底部钻柱与井壁接触，并根据实际工况[6]配有减震工具。

诱发深水钻井上部钻柱横向振动的主要原因就是隔水管的无规则运动，若不考虑钻柱与隔水管之间的接触作用力，柱内外流体对横向振动的影响，可以当做隔水管与钻柱一起做横向振动，可以分析隔水管横向振动的原因。海流和海浪对隔水管是变化复杂的非线性动态作用，若海浪和海流的波动频率接近隔水管的固有频率时，会引起钻柱和隔水管的共振作用而导致钻柱的损坏。海流一般情况下可以分为静态和准静态。隔水管发生破坏的主要原因是海浪对隔水管的激扰频率与隔水管某一节固有频率相同时，发生共振，这是引起上部钻柱疲劳问题的主要原因。若分析钻柱与隔水管之间的流体对钻柱振动的影响，一般情况下，阻尼的存在会降低钻柱的频率，若考虑钻井液流态的变化，同样可以影响钻柱横向振动，对钻柱振动破坏起到加强的作用。

1.3 深水钻井钻柱扭转振动

深水钻井钻柱扭转振动的主要原因是底部钻具周期性的旋转运动，扭转振动的主要表现形式是粘滑形式，当钻速较低或钻压过高时也会出现憋钻形式，钻头、岩层性质、转速和钻井液阻尼等因素影响着扭转振动的剧烈程度，钻柱转速时而很低时而很高，这种交变速度严重造成钻柱本身的疲劳强度破坏。当钻进在水平段时，钻柱易出现非线性扭转振动，出现非线性摩擦扭矩促使钻柱产生钟摆式运动，产生的影响作用是比正常扭矩多30%，当钻柱积蓄的扭矩一旦释放出来，水平段的钻具组合在绩效的环隙下猛然加速，这种周期性的反转引起的剧烈横振会使质量很大的下部钻柱中薄弱的环节很快的产生异常损坏[7]。对于深水平台以及海流作用的影响可以影响上部钻柱的扭转，当平台离开中心位置时，海流的作用若使平台绕其中心位置旋转将会加大钻柱系统的旋转运动，当振动频率与底部钻柱扭转振动频率达到共振时，会造成钻具扭断等重大钻井事故。因此综合这些影响因素，准确分析深水钻井钻柱的扭转运动是十分必要的。

2 深水钻井钻柱耦合振动机理

深水钻井钻柱横振、纵振的耦合振动是很厉害的耦合振动，在深水钻井中，底部钻柱横向振动主要起源于中和点至钻头段的钻柱，钻压的大小影响了地层对底部钻柱轴向力的大小，从而直接影响横向振动频率。在钻铤和钻杆之间的中性点左右，轴向力的大小是不同的，轴向力对振动频率的影响不同，从而直接影响钻柱振动参数和特性，一般情况下，底部钻柱横向振动引起的纵向振动频率为横向振动的l倍或2倍甚至更高[8]。因此需要合理地控制操作参数，加强随钻测量技术，若发现振动参数异常时，应停止钻进，重新开钻。深水钻井钻柱的纵向振动与扭转振动一般情况下是共同发生的，扭转振动使钻头的转速波动，加剧纵向振动，而纵向振动引起的反转运动也会加剧钻头上的扭矩波动，这也影响着钻柱的纵向振动的振动大小[9]。同样，深水钻井钻柱的横向振动迫使钻柱与井壁之间发生接触作用，会出现涡动现象，加剧钻柱的扭转，甚至反转一旦发生则很难停止。如果摩擦力矩大于扭矩时，会抑制钻柱旋转，若摩擦力矩突变小于扭矩钻柱时，钻柱会迅速释放，以几倍转速的速度高速反向旋转，促使钻柱产生交变应力，对钻柱的疲劳破坏作用非常大。三种振动形式相辅相成，很难抑制这三种振动的发生，对于底部钻柱振动应按工况配有减震器等减震工具，控制钻柱工作应力的变化。

陆地钻井的振动一般都集合在钻柱底部，深水钻井则不同，上部钻柱的振动需要考虑隔水管、钻井平台、海洋载荷等其他因素。因此掌握了这些外在因素的规律，也就掌握了钻柱振动的规律，影响上部钻柱振动的因素很多，主要有以下几个因素：钻柱本身的直径、长度、刚度等结构影响作用；引起隔水管、钻柱耦合振动的主要原因：主要因素有海浪、海流等，主要表现在海流的流速、波浪的波高、周期等；上部钻柱会随着隔水管的漂移和平台的浮动而振动，平台提供的张力的大小直接影响到深水钻柱系统的刚度，对上部钻柱的振动特性是一个重要因素，对钻柱固有频率的影响很大，这也直接影响了其振动特性。同时平台的上下浮沉直接影响着纵向、横向振动，平台的扭转同样也影响着上部钻柱的扭转运动。钻井液流体对钻柱耦合振动也起了一定的作用，气相流速、孔隙率、液相流速成为钻柱系统振动的一个重要因素。钻井流体对钻柱的振动存在着耦合的影响，流体会对钻柱的运动产生阻尼，过阻尼和临界阻尼状态会抑止钻柱的振动状态，尤其在深水大位移水平井中，还会出现蹩钻及粘滑，严重时甚至无法钻井。当平台升沉运动频率、隔水管运移和钻柱系统的固有频率接近时，钻柱的动态响应强烈，很可能就会发生共振现象，会严重影响整个深水钻井动力学稳定性，产生严重后果。

3 结语

（1）深水钻井在钻进过程中易出现纵向振动，纵向振动又易引起横向振动，横向振动也易引发扭转振动，三者往往同时存在，同时不可忽略与井壁接触力和阻尼的影响，底部钻具组合应配备减震器等减震工具。

（2）深水钻井上部钻柱振动受隔水管运移、钻井平台浮沉以及海洋载荷等影响，应建立钻柱-隔水管-钻井平台-海洋载荷耦合动力学模型，研究规律，计算结果与现场结果对比分析，避免在钻进过程中发生共振带来钻柱失效和失稳问题。

（3）通过实力分析，降低钻柱振动的主要方法是根据钻柱动态应力特性，优化钻柱结构和工作参数，使钻柱尽可能在低动态应力水平下工作，同时控制钻井平台的动力学特性，分析海流、海风等环境载荷周期性动态影响，为降低钻具疲劳失效和优化管具设计提供依据。

参考文献

[1]张焱，陈平，施太和.深井中钻柱动力学机理研究[J].石油机械.1998，26（7）：17-20.

[2]Aarestad T V，Kyllingstad A.Measurement and theoretical models on rig suspension and the effect on drillstring vibrations[J].1993，8（3）：201-206.

[3]屈展，刘德铸.钻柱振动问题及其理论研究进展[J].石油机械，1996，24（2）：54-57.

[4]高德利，张辉.无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析[J].科技导报，2012（4）：37-42.

[5]畅元江，陈国明，许亮斌.深水钻井隔水管系统设计影响因素分析[J].石油勘探与开发，2009，36（4）：523-528.

[6]Brett J F.The genesis of bit-induced torsional drillstring vibrations[R].SPE/IADC 21943，1992.

[7]狄勤丰，王文昌，胡以宝.钻柱动力学及应用进展[J].天然气工业，2006，26（4）：57-59.

篇10

[关键词] 魔芋葡甘聚糖片段 分子量 流变性质

0 引言

食品流变学是食品、化学及流体力学间的交叉学科，以弹性力学和流体力学为基础，主要研究食品的原材料、中间产品和成品的重新加工、操作处理以及消费过程中产生的变形和流动的科学[1]。由于食品流变性质对食品的运输、传送、加工工艺以致人在咀嚼食品时的满足感等有着重要的影响，所以通过研究常用的食品流变特性，能为产品的研发、加工工艺及设备的设计等提供方便和依据[2]。

魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan, 简称KGM）是继淀粉、纤维素之后，一种来源丰富的天然可再生高分子胶体，因其特殊的结构具备诸多优良的理化性质而被广泛应用于食品、医药、化工、纺织、石油钻探等各个领域[3-6]。通过流变学实验，研究KGM的流变性能及规律，可为KGM产品的工程设计、生产工艺和产品质量提供指导及理论依据。有研究表明，不同分子量多糖溶液体系的粘弹性和流变行为有所差异[7]，且KGM水溶液的流动行为还受其分子量、取代基团、浓度、离子强度等因素的影响[8]，因此针对不同分子量KGM片段溶液体系的粘弹性和流变行为的研究，对于改进已有的产品和开发新产品具有重要意义。

基于此，本文研究分子量对KGM片段溶液黏度、粘弹性和流变行为的影响，并对其表现出来的现象进行分析，以期为其进一步工业化推广提供理论基础。

1 材料和设备

1.1 试验材料

魔芋精粉，云南省昭通市三艾有机魔芋发展有限公司；魔芋精粉经去杂质、去纤维、去蛋白等，得到备用KGM样品，其纯度约为95%，经由降解纯化制得不同分子量的KGM片段样品。

1.2 主要仪器与设备

Physica聚合物流变仪系统，MCR301型，奥地利安东帕有限公司；数字显示转速电动搅拌机，JB200 - S型，上海标本模型厂；分析天平，PL402-C，梅特勒-托利多仪器有限公司；数显恒温水浴锅，HH-2型，江阴市保利科研器械有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品溶液的制备

在室温下用去离子水配置1%的KGM片段样品（四个样品的重均分子量分别为：G1：42.04×104；G2：34.03×104；G3：30.75×104；G4：26.34×104）溶液，置于80℃的恒温水浴锅中用搅拌器连续搅拌4小时使其充分溶胀，放置备用。测定时，采用滴管取样品溶液于流变仪平行板上，在添样过程中要避免带入气泡。

1.3.2 流变性质测定

采用MCR301流变仪，设定剪切速率为0.1～300s-1范围，记录不同条件下KGM的黏度及应变力的剪切流变曲线。在振荡模式下，将样品加到流变仪样品台上，盖上盖板。测量系统的平行板直径为50mm，频率为1Hz，应变为5%，测试温度30℃，平行板间距1mm的条件下测定储能模量G′、损耗模量G″及损耗角tanδ的频率依赖性。

3 结果与分析

3.1 静态流变学性质的变化

一般来说，黏度随着剪切速率的改变而始终保持常数的流体称为牛顿流体，常见的牛顿流体有低分子液体和高分子的稀溶液。其余情况的均属于非牛顿流体。大部分高浓度的高分子溶液均属假塑性流体，其黏度随剪切速率的增加而减小，即出现所谓剪切变稀现象[9]。KGM剪切稀化的现象对食品加工过程有重要影响，因此研究不同分子量的KGM片段剪切稀化的现象有重要意义。图1为1%不同分子量KGM片段水溶液黏度与剪切速率关系。

图1 30℃时，1%不同分子量KGM片段水溶液黏度

与剪切速率关系

从图1可以看出，在30℃下，黏度随剪切速率增大而明显降低后达到一个平台值，与其他研究者的结果类似[8]。同时还可以从图中看出在低剪切速率时，相对于G4样品溶液，G1、G2及G3样品溶液的黏度均随着剪切速率的增加而明显降低，表现出剪切变稀的假塑性，这可能是由于随着剪切速率的增加，高分子化合物分子间线团结构被破坏，使分子定向性更强，分子间作用力减小。

图2为1%不同分子量KGM片段水溶液应变力与剪切速率关系，用来说明不同分子量的KGM片段溶液是否具有假塑性流体的特征。

图2 30℃时，1%不同分子量KGM片段水溶液应变力

与剪切速率关系

根据高分子溶液流动曲线符合幂定律：

τ=K×γn (1)

其中τ为剪切应力，γ为剪切速率，K为浓度系数，n为流动指数。n值可以作为材料非线性强弱的量度，当n＜1时，溶液为假塑性流体，随剪切速率增加，表观黏度逐渐降低；当n＞1时，溶液为涨塑性流体，随剪切速率增加，表观黏度逐渐增加；当n=1时，溶液为理想牛顿流体，表观黏度不随剪切速率变化而变化[10]。

对(1)式进行线性化处理(取对数)，则有：

1g τ =1gK+n1gγ (2)

对(2)式进行线性回归分析，可以求得K和n值。