相对论行波管高频系统的数值模拟及实验验证

《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言在许多工业应用中，如石油、天然气和化学工业中，气液两相流是非常常见的流动状态。

对水平管内气液两相流的流型进行深入的研究对于提升设备的效率和可靠性具有重要意义。

本论文通过数值模拟和实验研究的方法，探讨了水平管内气液两相流的流型特征及其变化规律。

二、文献综述在过去的几十年里，许多学者对气液两相流进行了广泛的研究。

这些研究主要关注流型的分类、流型转换的机理以及流型对流动特性的影响等方面。

随着计算流体动力学（CFD）技术的发展，数值模拟已成为研究气液两相流的重要手段。

同时，实验研究也是验证数值模拟结果和深化理解流动机理的重要途径。

三、数值模拟1. 模型建立本部分首先建立了水平管内气液两相流的物理模型和数学模型。

物理模型包括管道的几何尺寸、流体性质等因素。

数学模型则基于质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律，并考虑了气液两相的相互作用。

2. 数值方法采用计算流体动力学（CFD）方法对模型进行求解。

通过设置适当的边界条件和初始条件，得到气液两相流的流动状态。

此外，还采用了多相流模型和湍流模型等，以更准确地描述气液两相的流动特性。

3. 结果分析通过数值模拟，得到了水平管内气液两相流的流型图、流速分布、压力分布等结果。

分析这些结果，可以深入了解流型的转变过程和流动特性。

四、实验研究1. 实验装置设计了一套用于气液两相流实验的装置，包括水平管道、气体供应系统、液体供应系统、测量系统等。

通过调节气体和液体的流量，可以模拟不同工况下的气液两相流。

2. 实验方法在实验过程中，通过观察和记录流动现象，获取了流型、流速、压力等数据。

同时，还采用了高速摄像等技术，对流动过程进行可视化分析。

3. 结果分析将实验结果与数值模拟结果进行对比，验证了数值模拟的准确性。

同时，还分析了不同因素（如管道直径、流体性质等）对气液两相流流型的影响。

五、结论与展望通过数值模拟和实验研究，得到了以下结论：1. 水平管内气液两相流的流型受多种因素影响，包括管道直径、流体性质、流速等。

相对论行波管一、引言相对论行波管是一种利用电子束与高频电磁场相互作用来放大微弱信号的电子器件。

它是现代通信技术中不可或缺的关键组成部分之一，广泛应用于卫星通信、雷达、无线电广播等领域。

本文将从相对论行波管的基本原理、结构和工作原理三个方面进行详细阐述。

二、基本原理1. 相对论效应相对论效应是指当物体接近光速时，时间和空间会发生扭曲变化。

在相对论行波管中，由于电子束的速度非常接近光速，因此需要考虑相对论效应。

2. 高频电磁场高频电磁场是指频率在几百兆赫到几千兆赫之间的电磁波。

在相对论行波管中，高频电磁场被用来操纵和放大电子束。

3. 交变场加速器交变场加速器是一种将静止的粒子加速到高速运动状态的装置。

在相对论行波管中，交变场加速器被用来将低能量的电子加速到足够高的能量，以便它们可以与高频电磁场相互作用。

三、结构相对论行波管的主要组成部分包括电子枪、交变场加速器、螺旋线和收集极等。

下面将对每个部分进行详细介绍。

1. 电子枪电子枪是相对论行波管中产生电子束的部件。

它由阴极和阳极组成，通过加热阴极来释放电子，然后通过阳极上的孔洞将电子束聚焦到一起。

2. 交变场加速器交变场加速器是将低能量的电子加速到足够高的能量，以便它们可以与高频电磁场相互作用的部件。

它由两个或多个金属环组成，这些金属环会在高频电磁场的作用下产生强烈的交变场，从而使得通过其中心轴线传输的电子获得更高的能量。

3. 螺旋线螺旋线是相对论行波管中放大信号的部件。

它由金属导体制成，通常采用螺旋形或螺旋形扭曲形式。

当高频电磁场通过螺旋线时，会产生一种旋转的磁场，从而使得电子束在螺旋线中运动时获得更多的能量。

4. 收集极收集极是相对论行波管中用来收集电子束的部件。

它由金属制成，并位于螺旋线末端。

当电子束通过螺旋线后，会被收集极吸引，并产生一个微弱的电流信号。

四、工作原理相对论行波管的工作原理可以分为三个阶段：注入、加速和放大。

下面将对每个阶段进行详细介绍。

开槽波导3次谐波回旋行波放大管非线性理论与数本文讨论了开槽圆柱波导的高频场分布，给出了注波互作用自洽非线性理论.在电子作大回旋运动与考虑速度零散的情况下，采用四阶龙格库塔法，对均匀截面开槽波导3次谐波回旋行波放大管注波互作用进行了数值计算，得出一些重要的互作用规律，为回旋行波放大管的进一步研究打下了基础.关键词:回旋行波放大管；开槽波导；自洽非线性；高次谐波；速度零散Self-Consistent Nonlinear Theory and Simulation of a Slotted Third-Harmonic Gyro-TWT AmplifierZHANG Hong-bin,LI Hong-fu,ZHOU Xiao-lan,WANG Hua-jun,YU Sheng,DU Pin-zhong(Inst.of High Energy Electronics,UEST of China,Chengdu 610054,China) Abstract:The distribution of RF field of the slotted cylindrincal wave guide is discussed and the self-consistent nonlinear theory of the beam-wave interaction is presented in this paper.The behavior of the slotted gyrotron travelling-wave amplifier (gyro-TWT) with a uniform section is simulated by a Runge-Kutta algorithm code for a warm beam encircling around the axis of the wave guide.Some important regulations are obtained.This work presents the bases to further studies of thegyro-TWT.Key words:Gyro-TWT;slotted wave guide;self-consistent nonlinear;high harmonic wave;velocity spread一、引言回旋行波放大管属于毫米波放大器件，它以高功率、高效率、宽频带而著称，在雷达与通讯等领域有着极其重要的应用前景，自七十年代末以来，在理论和实验方面都取得了长足的进展［1～5］.对于基次谐波回旋行波管，在毫米波波段需要很高的直流磁场，因而需要体积较大的超导系统或电磁铁系统来提供直流磁场.采用高次谐波互作用，便可大大降低管子对直流磁场的要求［2，3］，使采用永久磁铁成为可能，从而可大大减小管子的体积.由于开槽壁和光滑壁波导中高频场分布存在的差异，开槽波导更有利于注波互作用，对工作电压要求较低，工作效率比光滑壁波导要高，同时与光滑壁波导相比具有很好的模式竞争抑制能力［6］.本文以95GHz开槽3次谐波为例，对回旋行波放大管进行了数值模拟，得到了一些重要的互作用规律.二、高频场模式和特性图1所示为开槽波导结构以及电子注轨迹横截面图(虚圆表示电注横截面图).设N为开槽波导的槽数，θ0为间隙半张角，a、b分别为波导内外半径，r、φ、z为电子的柱坐标，v⊥为电子的横向速度，φ为动量空间角，即v⊥与x轴夹角.为了方便起见，将波导分为两个区域进行讨论，即：⊥区(0＜r＜a)和⊥区(a＜r＜b).由于在回旋行波管中电子注与波的有效互作用场为TE波场，故仅需关心横电波高频场的分布情况［7～9］.这里只给出了高频电场分量的表达式，有关高频磁场分量的表达式可进一步能过电磁场分量关系求得.图1中空外开槽波导及电子注横截面示意图.虚圆为电子注横截面示意图在⊥区(0＜r＜a)中(1)(2)Ez=0(3)在⊥区(a＜r＜b)中Ez=0(4)Er=0(5)(6)其中(7)B0=［-J′0(kcb)/Y′0(kcb)］A0(8)在以上各式中，E0为高频场振幅，Γ为角向谐波数，ΑΓ为角向Γ次谐波项的振幅系数，kc为截止波数，q为开槽序数(q=1,2,…,N)，m代表高频场的角向模式(m=0,1,2,…,N-1).AΓ的值以及电路的色散关系可由电磁场在r=a处的边界条件确定.(9)色散关系为(10)式(9)表明，只有当空间谐波次数Γ=m+lN时，非零空间谐波项才存在.角向模式决定相邻隙间高频场的相位差，对于每一具体模式，此相位差值为m2π/N.每一角向模式均由无数个角向谐波项组成，其谐波振幅系数由式(9)决定.在所有角向模式中有两个比较重要的模式，即π模式和2π模式，其角向谐波相对强弱分布情况见图2.由图2可知，2π模式的能量主要集中于零次谐波项中，而π模式的能量主要集中于±N/2次谐波项中.因此，π模式较2π模式更适合于高次回旋谐波互作用.如果电子注回旋谐波次数(用S表示)已经设定，那么槽数N的选择应保证最强非零次角向谐波项的次数Г与回旋谐波次数S相等.如，对于π模式，槽数N应等于2S.图2角向谐波振幅对角向谐波数(Γ)的相对分布示意图.(a)π模式(m=N/2,N=6,θ0=15°)，(b)2π模式(m=0,N=6,θ0=15°)当角向模式m和槽深(即a/b的值)确定后，截止波数kc的值可由式(10)通过数值求解方法求得［6，8，9］.三、自洽非线性理论在热腔中，高频场沿轴向呈缓变分布状况，其对横坐标(r,φ)的分布函数与冷腔情况相同.下面给出⊥区中的热腔高频电场分量(TE波)表达式.(11)(12)Ez=0(13)上述各式中，Cmn为电场归一化系数，f(z)为一复函数，代表高频场沿Z轴的缓变分布情况.Cmn的值由下式求得(14)以下是自洽非线性注波互作用常微分方程组.从洛伦兹公式出发［8］，可推得电子在高频场(E,B)和直流磁场(B0)作用下的运动方程.每个电子有6个运动参量方程，这里仅给出了速度分量及动量空间角3个运动参量方程.(15)(16)(17)以上各式中，m0和γ分别为电子的静止质量和相对论因子，φ为动量空间角，u=γv,v为电子的速度，如图1所示.从有源麦克斯韦方程出发，经过一系列复杂的推导并对电流进行离散化后得到非线性注波互作用场方程为(18)上式中，P为在一个高频场周期内所取的电子注批数，M为考虑电子注厚度因数而将电子注化分的圈数，N为每圈上所取的宏电子数，S为谐波次数.〈…〉表示对初始速度分布函数为g0(v⊥,vz)的速度空间进行平均.设电子注为单能电子注，速度零散主要来自于横纵向速度比值(V⊥/Vz)的零散，这里按正态分布规律来处理速度零散，即初始速度分布函数为式中K为归一化常数,⊥vz为平均纵向速度零散，δ为狄拉克函数．边界条件f(z)|z=0=f(0)(19)(20)式中f(0)为输入高频场电场幅值.方程(15)～(18)为自洽非线性注波互作用方程组.将电子注离散为NT个宏电子，则一共有6NT+2个一阶非线性微分方程，结合边界条件(19)、(20)，利用四阶龙格库塔法对注波互作用进行数值计算，计算结果在下部分内容中给出并讨论.四、结果与讨论表1给出了互作用电路参数，各图表曲线相关参数见相应图表标注.图3给出了驱动功率为20W情况下，效率与电子速度比值α的关系.图中B0、Bg分别为直流磁场和共振点磁场，ω为高频场频率，ωc 为波导截止频率.由于在回旋行波管中波的能量取自于电子的横向能，又由于当α值增大，电子的横向能量以及回旋半径也随着增大，因此互作用效率也就随着α增大而增大.但当α增大到一定值后，注波互作用达到饱和，同时由于电子注回旋半径过大，电子在波导壁上产生截获，这样互作用效率又随α值增大而减小.表1数值模拟参数与结果内半径1.024mm外半径1.465mm电路长度87.9mm注电压60kV注电流6Aα1.3直流磁场11.674kG高频场模式π谐波次数3工作频率95.08GHz模拟结果饱和效率22.8%饱和输出功率82kW饱和增益36.15dB图3效率与电子注速度比值α的关系(s=3,πmode,I=6A,V=60kV,ω/ωc=1.032，B0/Bg=0.99)图4所示为饱和效率、饱和增益与B0/Bg值之间的关系，虚线为饱和增益曲线.图中γz为纵向速度分量的相对论因子.图示表明，一方面，降低B0/Bg值，有助于提高饱和互作用效率，但B0/Bg值不能太低，否则失谐加重，注波互作用难以达到同步，饱和效率便会迅速降低；另一方面，增加B0/Bg的值却有利于提高饱和增益.总的来说，磁场失谐率的选择应在效率和增益之间作优化折衷.图4饱和效率及增益与B0/Bg值的关系(s=3,π mode,I=6A,V=60kV,ω/ωc=γz,α=1.3)图5所示电流分别为3A、6A和9A情况下(a)饱和效率、(b)饱和增益随频率变化的关系.可以看出饱和效率、饱和增益以及饱和带宽都随电流的增长而有所增加.在6A和图示情况下，饱和带宽为7%，电流为3A增大到9A时，饱和带宽从4.6%增大到8.3%.图5不同电流下，(a)饱和效率(b)饱和增益随频率变化的关系(s=3,π mode,V=60kV,α=1.3,B0/Bg=0.99)图6所示为几个不同磁场失谐率下饱和增益以及饱和效率随频率变化的关系.由图可见，磁场失谐率对饱和增益、饱和效率及饱和带宽都有较大影响，B0/Bg值的提高有利于饱和增益及饱和带宽的提高，但饱和效率却有所降低.在图示条件下，当B0/Bg值从0.983增大到0.998时，饱和带宽从4.8%增大到9.3%.图6不同磁场失谐率下，(a)饱和增益及(b)饱和效率随频率变化的关系(s=3,π mode,I=6A,V=60kV,α=1.3)图7为在不同磁场失谐率下饱和效率随谐波次数的变化关系.由图表明，饱和效率随谐波次数的增大而降低，B0/Bg值越低，谐波次数对饱和效率的影响越大.图7饱和效率随谐波次数的变化关系(π mode,I=6A,V=60kV,α=1.3,ω/ωc=γz,rL/a=0.7)图8所示为不同谐波次数下饱和效率随频率的变化关系.图示表明谐波次数对饱和带宽有较大影响.在图示条件下，谐波次数从2增大到4时，饱和带宽从10.3%减小到5.7%.图8不同谐波次数下饱和效率随频率的变化关系(π mode,I=6A,V=60kV,α=1.3,B0/Bg=0.99,ω/ωc=γz,rL/a=0.7)五、结束语本文在单模和未考虑空间电荷效应及波导壁损耗的情况下，对95GHz3次谐波回旋行波管注波互作用进行了数值计算，得出了一些重要的互作用规律.研究结果表明，开槽波导高次谐波回旋行波管能在较低的磁场下和较宽的频带范围内，获得较高的互作用效应.高次谐波互作用降低了管子对磁场的要求，使采用永久磁铁成为可能，但谐波次数的增高会削弱注波互作用效率和带宽.由于在π模式中，高频场能量主要集中于高次谐波项中，而在2π模式中，能量主要集中于零次谐波项中，因此，π模式较2π模式更有利于高次谐波放大.适当降低磁场失谐率B0/Bg的值，有利于提高饱和互作用效率，但饱和增益及带宽却有所降低.适当提高横纵向速度比值(V⊥/Vz)、电流值以及输入功率，有利于带宽、增益和互作用效应的提高.另外，速度零散对注波互作用亦有较大影响，随着速度零散的增加，注波互作用效率、增益都有所降低.第11页共11页。

《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言随着能源、化工等领域的不断发展，水平管内气液两相流的研究变得日益重要。

在许多工业过程中，如石油开采、管道输送、冷却系统等，都需要对气液两相流进行深入的研究。

气液两相流的流型对管道的输送效率、安全性能以及系统设计都有重要的影响。

因此，本文对水平管内气液两相流的流型进行了数值模拟与实验研究，以期为相关领域的实际应用提供理论依据和参考。

二、流型分类与数值模拟方法水平管内气液两相流的流型主要分为泡状流、弹状流、泡状-弹状混合流、环状流等。

这些流型具有不同的流动特性和相互转换的规律。

为了更好地研究这些流型的特性，本文采用了数值模拟的方法。

数值模拟主要采用计算流体动力学（CFD）方法，通过建立数学模型，对不同流型下的气液两相流进行模拟。

在模拟过程中，考虑了流体物性、管道尺寸、流动速度等因素对流型的影响。

同时，采用适当的湍流模型和两相流模型，对气液两相的相互作用和流动特性进行描述。

三、实验研究方法与结果分析为了验证数值模拟结果的准确性，本文还进行了实验研究。

实验采用水平管道装置，通过改变气液流量、管道尺寸等参数，观察并记录不同流型下的流动特性。

实验结果表明，随着气液流量的增加，流型逐渐由泡状流向环状流转变。

在泡状流中，气泡分散在连续的液相中；在弹状流中，较大的气泡或气团交替出现在连续的液相中；而在环状流中，气体核心包裹着液体在管道中流动。

这些流型的转换规律与数值模拟结果基本一致。

此外，实验还发现，管道尺寸对流型也有显著影响。

当管道直径增大时，更易形成环状流；而当管道直径较小时，更易形成泡状或弹状流。

这为实际工程应用中管道设计和优化提供了重要的参考依据。

四、数值模拟与实验结果对比分析将数值模拟结果与实验结果进行对比分析，可以发现两者在流型转换规律和流动特性方面具有较好的一致性。

这表明本文采用的数值模拟方法具有较高的准确性和可靠性，可以为实际工程应用提供有效的预测和指导。

3国家863激光技术领域资助课题。

1996年9月17日收到原稿,1997年10月27日收到修改稿。

李家胤,男,1944年12月出生,教授。

相对论磁控管的实验研究李家胤　熊祥正　杨梓强　周晓岚　胡绍湘张　冰　马文多　李　慎　李明光　梁　正　刘盛纲 (电子科技大学高能所,强辐射重点实验室　610054) 摘要　简要分析了相3对论磁控管的主要特点与问题,编制了谐振系统数值计算程序,通过数值计算与冷测,对不同阴极尺寸与输出结构的磁控管进行了研究,清晰地描述了磁控管的振荡模式与简并现象。

制作了A 6型相对论磁控管并进行了热测实验,研究了输出功率与工作磁场的关系,经过大量优化工作,在S 波段获得了380MW 的微波辐射。

关键词　相对论磁控管　数值计算　高功率微波 相对论磁控管是一种重要的高功率微波器件。

由于它结构简单、牢固、工作可靠性高,具有高功率与重复脉冲工作的潜力,同时也具有多管锁相工作,合成更大功率的可能性,因而受到了以应用为主要目标的科技工作者的高度重视。

美国、俄罗斯、英国和其它国家的科学家们对相对论磁控管进行了长期的研究。

取得了一系列引人注目的成果。

最值得注意的有三个方面:一是实现了重复频率高平均功率工作。

如L 波段相对论磁控管在电压为750kV 、束流为10kA 、脉宽为60n s 的条件下,当重复频率为100H z 时P ^=1.0G W ,P -=4.4k W ,峰值效率达13%,能量效率为9.8%;当重复频率为250H z 时,P ^=600MW ,P -=6.3k W ,峰值效率达8%,能量效率为5.6%。

如此高的平均功率是其它器件尚未达到的。

二是实现了四只和七只相对论磁控管的相位互锁,显示了用多个源产生相干振荡的潜力。

三是实现了宽范围的调频,调频范围达33%,重复频率达100H z ,输出功率达400～600MW ,这些进展有可能使相对论磁控管成为最先获得实际应用的高功率微波源之一。

Ka波段空间行波管的设计及仿真研究的开题报告
一、题目
Ka波段空间行波管的设计及仿真研究
二、研究背景
随着卫星通信技术的发展，越来越多的航空航天项目需要使用高频微波技术，其中Ka波段是应用非常广泛的频段。

空间行波管是一种重要的高功率微波器件，它能够实现高功率微波信号的放大和传输。

因此，Ka波段空间行波管的设计和仿真研究对于提高卫星通信系统的性能具有重要意义。

三、研究内容
1. 建立Ka波段空间行波管的仿真模型；
2. 分析并优化空间行波管的结构参数；
3. 研究空间行波管的功率传输特性；
4. 开展实验验证仿真结果，并对仿真模型进行验证和修正。

四、研究方法
1. 基于Ansoft HFSS软件建立Ka波段空间行波管的三维仿真模型；
2. 通过分析仿真结果优化空间行波管的结构参数；
3. 利用电磁理论和微波技术原理研究空间行波管的功率传输特性；
4. 建立实验平台进行测试和验证，对仿真模型进行修正。

五、预期成果
1. 设计出性能良好的Ka波段空间行波管；
2. 研究出空间行波管的性能特点，为行波管应用研究提供基础；
3. 实验结果与仿真结果的一致性验证。

六、研究意义
通过对Ka波段空间行波管的设计和仿真研究，可以大大提高卫星通信系统的性能，为卫星通信领域的发展做出贡献。

同时，本研究还可以为微波器件的研究提供参考，并为类似器件的设计提供技术支持和探索方向。

管内充分发展流动与传热数值模拟的教学方法探讨
毛宇飞;上官燕琴;肖洪
【期刊名称】《力学与实践》
【年(卷),期】2024(46)1
【摘要】由于缺乏数值计算的基础理论知识,工科本科生在学习流体流动与传热过程的数值模拟方法并进行程序设计时,往往觉得难度较大。

本文围绕圆管内不可压缩流体充分发展流动与传热,采用边界层积分法,推导出无量纲控制方程组;针对层流工况和湍流工况,开发出相应的数值方法。

基于该方法的程序代码易于理解,且计算结果表明该方法具有预测精度高、收敛速度快的优点。

本文的工作可以为计算流体力学、数值传热学及热工计算等系列课程的本科教学提供参考。

【总页数】7页(P194-200)
【作者】毛宇飞;上官燕琴;肖洪
【作者单位】河海大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O357;TK124
【相关文献】
1.内置转子组合式强化传热装置换热管内流体流动与传热数值模拟
2.二元熔盐在螺旋槽管内流动和传热特性数值模拟
3.半壁受热管内插扭带的过冷流动沸腾传热特性数值模拟
4.螺旋弯管内流动与传热特性的数值模拟
5.螺旋管内单相流动周向非均匀传热现象的数值模拟
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