喷注壁面外掠平板层流边界层速度和温度的HPM-Padé解析解

运用HPM-Padé(同伦摄动-帕德逼近)法导出了当喷注流体速度与距平板前缘距离的平方根成反比时,不可压缩常物性流体外掠平板层流边界层内无量纲速度和无量纲温度解析表达式,无量纲流函数1阶导数的HPM-Padé解析解与4阶龙格库塔法的数值解结果一致.利用HPM-Padé解析解研究了喷注系数和流体Prandtl数对速度和温度分布的影响.结果表明:Prandtl数越大,温度边界层越薄,壁面温度梯度越大;喷注系数越大,速度边界层厚度和温度边界层厚度越大,壁面速度梯度和壁面温度梯度越小,壁面喷注对平板有隔热作用;当喷注系数为0.619时,壁面的速度梯度和温度梯度为零,高温来流向壁面的传热被喷注流体完全阻隔.     

并列双方柱的疏水涂层防冰效果结冰风洞实验评估

采用结冰风洞实验研究的方法,利用0.3m×0.2m结冰风洞主实验段,在不同结冰气象条件下对涂覆在并列双方柱实验模型表面的不同纳米疏水涂层结冰特性进行了实验研究,对左右并排的方柱实验模型表面的结冰外形进行了测量和比较,建立了基于9个结冰外形几何特征量的防冰效果量化评估方法,对有、无纳米疏水涂层表面的结冰外形几何特征量无量纲化偏差进行了计算和分析。研究表明:基于结冰外形几何特征量的防冰效果量化评估方法可以较好地评估纳米疏水涂层的防冰效果。与未涂覆防冰涂层的铝合金材料相比,硅橡胶及其添加颗粒的纳米涂层均具有一定的防冰性能,与硅橡胶涂层相比,有的添加颗粒的纳米涂层防冰效果略好一点,而有的略差一点,没有明显提高。在硅橡胶基底材料中添加纳米疏水颗粒,可以在涂层表面构筑一些微纳结构,从而起到防冰作用。因此,在硅橡胶涂层中添加纳米疏水颗粒是一种值得探索的防冰涂层制备研究方向,但如果仅采用物理混合搅拌的方法,纳米颗粒难以在硅橡胶涂层表面形成稳定疏水性能的微纳乳突结构。纳米疏水涂层只能降低结冰速率,无法完全杜绝材料表面的结冰现象。      

主燃级喷点数目对回流燃烧室的影响研究

为了研究主燃级周向燃油喷点数目对回流燃烧室NOx排放的影响,采用数值模拟方法对一种带有主燃级多点燃油直接喷射,贫油预混预蒸发头部的回流燃烧室流场进行研究,分析了回流燃烧室的冷态及热态流场特征和主燃级周向燃油喷点数目对NOx排放特性的影响。结果表明：（1）主燃级喷点数目对速度场的影响主要集中在主燃级出口下游,对预燃级出口速度场影响较小;（2）随周向喷点数目增加,油气掺混效果改善,高温区收缩,NOx排放量降低;（3）NOx质量分数分布受速度场和温度场耦合影响,主要集中于预燃级下游的高温低速回流区内。     

高超声速喷管非平衡黏性流动的数值研究

分别采用平衡气体模型、化学非平衡气体模型和热化学非平衡气体模型,通过求解轴对称Navier-Stokes方程组,数值模拟了法国Marseille高焓激波风洞锥型喷管(H₀=10.3MJ/kg),分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、振动温度、马赫数和组分质量数在轴对称线上的分布与喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果。计算结果表明:化学反应速度加快,会导致喷管出口温度增加,振动能的冻结会导致喷管出口温度降低。     

甲烷摩尔分数及初始压力对甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧特性的影响

采用定容燃烧实验装置获得初始温度为450K、初始压力为0.1~0.3MPa、当量比为0.7~1.5以及甲烷摩尔分数为0~0.8工况下甲烷/RP-3航空煤油混合燃料火焰发展特性图片、马克斯坦长度和层流燃烧速度等燃烧特性,分析甲烷摩尔分数及初始压力对甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧稳定性及层流燃烧速度的影响。结果表明:当量比为1.3时,随着甲烷摩尔分数增加,甲烷/RP-3航空煤油混合燃料燃烧趋于稳定,初始压力对燃烧稳定性影响较大,随着初始压力增加,燃烧稳定性变差。混合燃料马克斯坦长度随当量比增加而减小,当甲烷摩尔分数增加时,混合燃料马克斯坦长度减小趋势变缓,当初始压力增加时,混合燃料马克斯坦长度减小趋势明显变缓。混合燃料层流燃烧速度随当量比增加呈现先增大后减小的变化趋势。当甲烷摩尔分数为0、0.4和0.6时,随着甲烷摩尔分数增加,混合燃料层流燃烧速度逐渐增大,当初始压力为0.1、0.2、0.3MPa时,随着初始压力增加,混合燃料层流燃烧速度显著降低,随着甲烷摩尔分数和初始压力的增加,混合燃料层流燃烧速度峰值有向当量比大的区移动的趋势。      

Design of nanofluid-cooled heat sink using topology optimization

The paper presented topology optimization of 2D and 3D Nanofluid-Cooled Heat Sink (NCHS). The flow and heat transfer problem in the NCHS was treated as a single-phase nanofluid based convective heat transfer model. The temperature-dependent fluid properties were taken into account in the model due to the strong temperature-dependent features of nanofluids. An average temperature minimum problem was studied subject to the fluid area and energy dissipation constraints by using the density method. In the method, the design variable is updated according to the gradient information obtained by an adjoint based sensitivity analysis process. The effects of the energy dissipation constraint, temperature-dependent fluid properties and nanofluid characteristics on optimal configurations of NCHS were numerically investigated with following conclusions. Firstly, branched flow channels in the optimal configuration increased with the rise of the allowed energy dissipation. Secondly, temperature-dependent fluid properties were significant for obtaining the appropriate optimal results with best cooling performance. Thirdly, heat transfer performances of optimal configurations were enhanced by reducing the nanoparticle diameter or increasing the nanoparticle volume fraction. Fourthly, the optimal configuration for nanofluid had better cooling performance than that for its base fluid.     

飞机燃油箱地面冷却惰化数值仿真

通过 COMSOL软件对飞机燃油箱地面冷却惰化进行了 3D仿真,得到了燃油温度、气相空间温度、燃油蒸汽体积分数随时间变化的情况;研究了抽气流量、蒸发温度、内热源功率、外界空气流速对冷却惰化的影响。结果表明:内热源功率过大时,燃油蒸汽体积分数高于可燃体积分数下限,将不能惰化;增大抽气流量以及降低蒸发温度,可以更快地降低气相空间温度,惰化效果更好;外界空气流速越大,气动加热热量越大,油箱气相空间温度越高,但外界空气流速较大时,系统仍能惰化。     

初始温度对CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧特性的影响

采用定容燃烧实验装置对初始压力为0.1MPa、当量比为0.7~1.5、甲烷体积分数为0、0.4和0.8，以及3种初始温度工况下，CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧特性进行实验研究。获得混合燃料火焰发展图片、层流燃烧速度和马克斯坦长度等,并分析初始温度对CH4/RP-3航空煤油混合燃料层流燃烧速度及燃烧稳定性的影响。结果表明,当火焰拉伸率趋于0时,非线性拟合方法NLM2(nonlinear fitting method 2)能够准确预测拉伸火焰传播速度随火焰拉伸率变化规律,外推可获得较为准确的无拉伸火焰传播速率。初始温度对稀混合燃料火焰传播速度的影响较大,而对化学当量比和浓混合燃料火焰传播速度的影响较小。3种甲烷体积分数混合燃料的层流燃烧速度均随初始温度增加而增加。当初始温度为420K时,马克斯坦长度随当量比减小最快,而当初始温度为480K时,马克斯坦长度减小最慢。在稀混合气和化学当量比工况,随着初始温度增加,混合燃料马克斯坦长度减小,混合燃料燃烧稳定性变差,而在浓混合气工况,各初始温度马克斯坦长度趋于一致,此时,初始温度增加对燃烧稳定性影响较小。      

振荡管流换热的解析解及强化换热特性

经求解随时间正弦变化的非定常压力梯度下,管内流体振荡时的运动方程和能量方程,得到了振荡管流换热的速度场、温度场以及当量导温系数的解析解.通过分析可知,影响管内振荡流轴向换热的无量纲参数主要有:无量纲振荡频率,无量纲振幅和流体普朗特数.其中,无量纲振荡频率直接影响流动的速度分布,且随着无量纲振荡频率增加,强化换热效果增强.随着无量纲振幅的增大,管内流动有效导热面积增加,等温面法向温度梯度也增加,使得强化换热效果增强.强化换热效果同样也随流体普朗特数的增加而增强.      

亚/超声速楔状流层流边界层速度与温度相似解及拟合解

利用相似变换获得了楔状流层流边界层无量纲流函数的3阶非线性常微分方程,用Runge-Kutta法求解微分方程获得了不同楔形角楔状流层流边界层无量纲速度随相似变量的变化曲线;推导了亚声速和超声速楔状流层流边界层无量纲温度关于相似变量的2阶线性齐次和非齐次微分方程,获得了温度分布的通解,恒壁温条件下亚声速楔状流和绝热壁面条件下超声速楔状流层流边界层无量纲温度解析解及指数函数形式的拟合解.以楔形角为0为例利用相似变换研究了超声速条件下气体压缩性及黏度随温度变化等因素对层流边界层速度与温度的影响,得出不可压缩常物性与可压缩变物性条件下无量纲速度相对误差绝对值小于9.8%的结论.研究表明:Pr越大贴近壁面处无量纲温度变化越剧烈;超声速条件下壁温低于绝热壁温时黏性耗散作用可以使层流边界层气体温度从壁面到主流间出现先升高后降低的变化.      

Gaseous plume flows in space propulsion

This paper presents a gaskinetic study on high-speed, highly rarefied jets expanding into a vacuum from a cluster of planar or annular exits. Based on the corresponding exact expressions for a planar or annular jet, it is convenient to derive the combined multiple jet flowfield solutions of density and velocity components. For the combined temperature and pressure solutions, extra attention is needed. Several direct simulation Monte Carlo simulation results are provided to validate these analytical solutions. The analytical and numerical solutions are essentially identical for these high Knudsen number jet flows.     

高超声速喷管三维热化学非平衡流场的数值模拟

利用数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程的方法和多块网格技术,数值模拟了典型高焓激波风洞锥型喷管的三维非平衡流场,分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、组分N2和O2振动温度、马赫数和组分质量分数在轴对称线上的分布,也给出了喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果,获得了喷管流场的详细信息,并与已经存在的采用轴对称Navier-Stokes方程计算的结果,进行了比较,二者吻合得很好.计算结果表明:目前的代码是可以模拟多块结构网格下的热化学非平衡流动的.     

Slip boundary conditions for rough surfaces

The velocity slip and temperature jump for a two-dimensional rough plate under hypersonic conditions were analyzed using the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method. Surface roughness was explicitly modeled by introducing various structures on the flat plate. The influences of relative roughness height, which involves the roughness height, roughness spacing, incoming velocity, and the degree of rarefaction, were analyzed and discussed. It is found that with the increase of the relative roughness height, the jump temperature increases, while the slip velocity decreases gradually. The effects of surface roughness on the slip coefficients can be attributed to the change of accommodation coefficients. A new slip model for rough surfaces was established in this paper, which accounts for the coupling effects of gas rarefaction and surface roughness, without the effort to model the surface roughness explicitly. The nitrogen flows in the microchannel, and flows over a blunt cone and an axisymmetric bi-conic body, were simulated under the modified and conventional slip boundary conditions, respectively. The numerical solutions were validated with experimental data. It can be safely concluded that compared with the traditional first-order slip boundary conditions, the modified slip model improves the accuracy of macroscopic properties, especially the heat transfer coefficient.     

掺氢比对微波瓣燃烧器燃烧特性的影响

为解决微尺度非预混燃烧中燃料同氧化剂混合慢、燃烧不稳定的问题,基于实验的方法研究了燃料掺氢以及微波瓣燃烧器对燃烧的影响,并将微波瓣燃烧器的燃烧温度同微圆管燃烧器进行了对比。在此基础上建立了微波瓣燃烧器以及微圆管燃烧器的三维仿真模型,研究了掺氢比对微波瓣燃烧器和微圆管燃烧器流场、火焰长度、燃料消耗率、燃烧产物以及燃烧温度的影响。研究结果表明:随着掺氢比的增加,微波瓣燃烧器中流向涡涡量以及射流核心速度不断提高,火焰长度、燃烧温度不断增加,OH,H2O质量分数的峰值逐渐增加,CO2质量分数的峰值不断下降,CO质量分数峰值变化极小。在同一掺氢比下,相比于微圆管燃烧器,微波瓣燃烧器能够使燃料同氧化剂提前反应且具备更长的火焰、更大的OH质量分数峰值以及更高的燃烧效率和燃烧温度。在掺氢比为50%时,微波瓣燃烧器的最高燃烧温度较微圆管燃烧器提高了110K。这表明微波瓣燃烧器和燃料掺氢的结合能促进微尺度燃烧,提高燃烧的稳定性。     

旋转矩形截面弯管内流动特性的研究

本文利用数值计算方法研究了三种旋转矩形截面（η＝1，η＞1，η＜1）弯管内的粘性流动，分析了在离心力和科氏力共同作用下二次流动、轴向主流、摩擦系数比各参数的变化情况，所得的结果与已有文献的结果（数值结果和实验结果）非吻合，计算结果表明：对于宽高比η≤1的矩形截面，截面上最多可以存在8个涡；若η＞1，同上最多可以出现6个涡；摩擦系数比和二次流函数量大值在F≈－1时取得最小值，；计算结果还表明，η对高速旋转弯管内的摩擦系数比的影响程度要明显高于对静止的弯管内的摩擦系数比的影响程序，最后本文给出η＝1时的旋转矩形弯管内摩擦系数的计算公式。     

有过冷时圆柱体的熔解研究

本文通过引入新的温度分布表达式, 研究了有过冷影响时圆柱体外固体的熔解问题, 得到了简单而有效的近似分析解。该方法分析过程简单、直观, 所得结果与数值计算结果符合得较好, 亦可求解大过冷度和大Stefan数的相变问题, 十分适合于工程分析计算。      

喷注壁面楔状流层流边界层速度与温度相似解

建立了壁面有喷注的楔状流层流边界层冷却数学模型,求解经相似变换得到的描述无量纲流函数和无量纲温度的常微分方程,获得了楔状流层流边界层无量纲速度和温度的相似解,给出了考虑壁面喷注边界条件的形式简洁、物理意义明确的无量纲流函数拟合式;用Runge-Kutta法求解无量纲速度与温度的常微分方程,获得了壁面有喷注的楔状流层流边界层无量纲速度和温度随楔形角、吹风参数、冷却介质温度的变化规律.通过计算0°,18°和36°楔形角的楔状流层流边界冷却速度与温度分布得到以下结论:楔状流速度边界层和温度边界层厚度都随楔形角的增大而变小,随着吹风参数的增大而增大;当冷却介质温度越低、吹风参数越小、楔形角越大时,靠近壁面处楔状流层流边界层内温度梯度越大.      

Nonequilibrium recombination after a curved shock wave

The effect of nonequilibrium recombination after a curved two-dimensional shock wave in a hypervelocity dissociating flow of an inviscid Lighthill–Freeman gas is considered. An analytical solution is obtained with the effective shock values derived by Hornung (1976) [5] and the assumption that the flow is ‘quasi-frozen’ after a thin dissociating layer near the shock. The solution gives the expression of dissociation fraction as a function of temperature on a streamline. A rule of thumb can then be provided to check the validity of binary scaling for experimental conditions and a tool to determine the limiting streamline that delineates the validity zone of binary scaling. The effects on the nonequilibrium chemical reaction of the large difference in free stream temperature between free-piston shock tunnel and equivalent flight conditions are discussed. Numerical examples are presented and the results are compared with solutions obtained with two-dimensional Euler equations using the code of Candler (1988) [10].     

固体火箭发动机液体喷射熄火过程中喷射液体的射流速度和液滴运动与蒸发

针对在固体火箭发动机液体喷射熄火研究中所用液体喷射实验装置,推导了液体射流速度,液滴运动与蒸发的控制方程组,并进行丁数值求解,研究了影响射流速度、液滴尺寸及其蒸发速率的因素。结果表明:液滴的初始速度和直径主要受喷射压降、液体表面张力和粘度的影响;影响液滴运动速度的因素有环境压强和温度;环境温度和液体的汽化潜热对液滴的蒸发速率有着重要的影响。上述结果对于合理设计满足固体火箭发动机熄火要求的液体喷射装置,选择合适的液体介质具有一定的指导意义。     

低温燃气弹射内弹道影响因素的数值研究

针对某低温燃气式弹射装置，建立简化二次燃烧物理模型，采用重整化群k-ε湍流模型模拟流场流动、以有限速率/涡耗散燃烧模型模拟气相燃烧、以域动分层法动网格更新技术模拟导弹运动，数值分析得到了发射筒内载荷与内弹道特性.结果表明:在满足内弹道设计要求的条件下，燃气发生器喷管入口总温包络区间为0.538~1.231，且随着总温的增加，二次反应时间和导弹出筒时间减小，导弹出筒速度增加；发射筒内氧气质量分数包络区间为0.07~0.30，且随着氧气质量分数的增加，二次反应发生时间和导弹出筒时间提前，导弹出筒速度增加.研究结果可为低温燃气式弹射内弹道分析和结构设计提供理论基础.