多孔板结冰自强化效应对水升华器性能的影响

水升华器是一种利用水作为消耗性介质的相变散热装置,在航天器热控及生保系统中得到了广泛应用。在水升华器启动及运行过程中多孔板内部发生的结冰膨胀现象会对多孔板微观结构进行再加工;由于形变硬化效应,水升华器多次工作后,多孔板的塑性将逐渐降低,结构参数将逐渐固化,将这一过程定义为多孔板的自强化。而多孔板微观结构的变化,将对水升华器防击穿能力、稳态散热功率等宏观性能产生影响。在对水升华器工作机理进行分析的基础上,从微观角度定性研究了水升华器多孔板的结冰自强化机理,并针对自强化效应对水升华器宏观性能的影响开展了实验研究。结果表明：对于本文结构的水升华器,在同一条件下,稳态散热功率随着启动次数的增加而减小,且每次减小的幅度逐渐降低,在启动3~4次后稳态散热功率逐渐趋于稳定。由实验数据得到了水升华器稳态散热功率与启动次数之间的拟合关系式;渗透率越大的多孔板,水升华器工作过程对多孔板的再加工程度更大,因而自强化效果更明显;自强化效应还可以提高水升华器的防击穿能力。研究结果为探月三期工程嫦娥五号探测器提供了一定的设计依据。     

泵驱动相变冷却系统中储液器压力响应特性

储液器作为泵驱动两相冷却系统的关键设备,其响应特性将直接影响系统的运行效果.通过储液器压力特性在泵启动过程、热源启动过程和系统稳定运行过程之间响应关系的实验研究和理论分析,结果表明在机械泵启动阶段,由于工质R134a的物理特性和和齿轮泵的工作特性,储液器压力越低,系统启动越稳定.储液器压力的变化,对热源启动过程影响较小,热源启动稳定.在稳定运行阶段,储液器压力越低,蒸发器出口温度波动越大.      

水升华器散热系统分析

 对舱外航天服热控系统所采用的多孔板水升华器的主要工作模式进行了讨论。研究了控制升华模式和周期模式工作的参数。在对多孔板多孔结构进行简化假设的基础上,建立了相关的数学模型,来预测水升华器的工作模式和换热器表面的温度。     

可变几何径向涡流器流量特性及流量系数的试验研究

可变几何燃烧室是解决高温升、大热负荷燃烧室设计的关键技术之一。本文研究了可变几何径向涡流器在不同开度条件下的流量特性及流量系数变化规律。实验表明,采用这一技术可以在较大的范围内调节控制燃烧区和头部的当量比,以适应高温升、大热负荷燃烧室在广阔工作范围内保证燃烧室具有良好性能的需要。     

多容腔耦合的瞬态响应实验研究

为了研究多容腔耦合的瞬态响应特性,结合航空发动机空气系统结构特点,搭建了包含容腔、管道、孔等多个元件组成的系统级实验台,并开展了实验研究。同时,引入滞后时间、响应时间和响应时间系数三个评价参数,用于定量分析系统响应过程的快慢和强弱。实验分析了多容腔耦合响应过程的主要影响因素,获得了不同位置气流压力的时间响应曲线以及响应时间。实验结果显示:容积效应对腔压的变化具有明显的延缓作用,并且每个测点的延迟时间不一致,越远离扰动源滞后时间越长;响应时间与扰动压力及转盘转速相关,扰动压力越高压力响应时间越长,旋转流动对气流参数的变化具有延缓作用,在实验工况下转速提高一倍,旋转盘响应时间增加约0.5s,增幅大于10%。     

流体控制矢量喷管启动过程的瞬态响应

采用三维非定常数值模拟方法对流体矢量喷管启动的瞬态响应过程进行了研究,给出了流场的演化特性及性能参数的响应时间.根据不同时刻的流场和壁面压力分布,分析后得到了注气附近射流扰动波系及漩涡的演化过程,并与上壁面压力分布相互印证.由性能参数(包括流量,推力系数,矢量角)的时间响应曲线发现:流量和推力系数在响应初始阶段存在剧烈波动,而矢量角是平稳变化,三者的响应时间在毫秒量级.      

热辐射对气膜冷却叶片表面热负荷的影响

为了明确不同因素对叶片表面热负荷的影响规律,利用改进的WSGG模型,通过CFD数值仿真进行对流辐射耦合计算, 探明高温燃气辐射传热对叶片表面热负荷的影响。结果表明：进口压力、温度、黑体辐射温度和壁面发射率对叶片表面热负荷均 有一定影响,在进口总温从1750 K升高到2150 K的过程中,叶片表面温度整体升高幅度为250～300 K,而黑体辐射温度对叶片表 面温度的提升最高为40 K。在壁面发射率从0.3提高到0.8的过程中,叶片表面辐射热流密度随之增大,在吸力面和压力面局部区 域辐射热流密度增大了1倍。壁面发射率和高温燃气进口温度对叶片表面的温度和热流作用相当均匀,进口压力和黑体辐射温 度对叶片尾缘、前缘和压力面的热负荷影响远大于其他区域。在此基础上,提出了以进口总温、黑体辐射温度、余气系数和壁面发 射率为自变量,以辐射换热热流密度为因变量的辐射换热的经验准则关系式,获得了该经验关系式的拟合结果,并对该拟合精度 进行了计算,相对误差均小于5%。     

碳氢燃料热声不稳定流动特性和边界实验分析

为保障空-油换热器安全稳定运行,对竖直上升圆管内超临界压力航空燃料的热声不稳定流动进行了实验研究。阐述了管壁温度的振荡特征和热声不稳定流动的诱发原因。考察了运行参数对流动稳定工况和流动不稳定工况界限的影响。取相邻流动稳定工况和流动不稳定工况的热流密度平均值作为边界,分析了该边界随进口拟过冷度的变化情况。通过临界拟相变数和拟过冷度数的比值表征,建立了热声不稳定流动边界与进口雷诺数和相对压力关联的预测准则。结果表明:拟沸腾效应导致了热声不稳定流动现象。进口温度和运行压力越低,热声不稳定流动越容易出现。提出的边界预测准则具有较高的精度,与实验结果的相对偏差在±15%以内。     

脉冲风洞中进气道起动过程试验研究

在马赫8炮风洞中开展了不同初始真空压力条件下风洞喷管启动过程对侧压进气道启动的影响研究。通过调节进气道几何收缩比和风洞运行的初始真空压力,完成了收缩比分别为2,4.25,5.56,初始真空压力变化范围为60 Pa~3 kPa的多种工况测压、纹影实验。实验数据表明,当收缩比较小时,即使初始真空压力很高,甚至严重影响了风洞的有效运行时间,进气道也能够启动;当进气道收缩比较大时,炮风洞喷管启动过程会影响进气道启动,即进气道是否启动受风洞初始真空压力变化而十分敏感。     

基于OpenFOAM的超临界压力下低温射流大涡模拟

为了深入认识低温射流在超临界压力下的流动特性,将真实流体热物性模型写入开源CFD程序OpenFOAM平台中,开发出了用于模拟超临界压力下流动过程的均相求解器。针对液氮跨临界、超临界射流进行大涡模拟,研究了环境条件变化对于低温射流流动特性的影响。结果表明：采用的真实流体模型能够在广泛的温度与压力范围内准确计算流体的热物理性质,在此基础上开发的均相求解器能够准确描述超临界条件下的低温射流,其流动特性主要表现为稠密液体与环境气体之间的剪切层不稳定以及湍流混合,此类变密度射流在湍流充分发展区域同常密度射流一样具有自相似特性;超临界射流相比于跨临界射流具有更高的混合效率以及更短的液核穿透长度;环境温度升高以及环境压力降低均使得低温射流与周边气体之间的密度梯度增加,对剪切层中不稳定波动的发展起到抑制作用,导致了射流液核长度的增加以及扩张角度的减小。     

进口压力对涡流管性能影响的实验研究

采用自行设计的涡流管,并以空气作为工作介质,通过实验研究了在其它条件相同的情况下,不同进口压力对涡流管性能的影响。实验结果表明:对于常温涡流管,在背压保持不变的情况下,随着进口压力的增加,涡流管的制冷温度效应、单位制冷量和制冷系数都显著提高,但是当进口压力增加到一定的值以后,继续提高进口压力,涡流管的制冷温度效应、单位制冷量和制冷系数反而急剧下降。     

热斑压力比对气冷涡轮叶栅表面热负荷的影响

为深化对涡轮进口热斑效应的认识,采用试验和数值方法研究了热斑压力比对涡轮叶栅表面热负荷的影响。试验采用引气管形成热斑,叶片材料为环氧树脂,叶型为C3X。采用数值方法计算了不同热斑压力比(0.980～1.020)和冷气流量比(1%～5%)条件下叶片表面的热负荷。研究表明,计算值与试验值吻合良好。热斑压力比小于1.000时,热斑对叶片表面热负荷无影响;但随着热斑压力比增加,热斑对叶片表面的加热效果越来越明显,尤其是在叶片前缘和吸力面。热斑在涡轮通道中向下游流动时温度不断下降,且热斑压力比越小,热斑温度下降越快,方向偏转也越明显。随着冷气流量比增加,叶片表面温度显著下降。     

基于成核理论的水温对结冰黏附强度影响研究

飞机结冰会影响飞行安全,甚至导致严重的飞行事故。研究积冰与基底的黏附强度,可以为飞机防除冰系统的设计提供具体的指标要求。设计剪切黏附力测量实验平台,利用该实验平台测量基板在不同冻结用水初始温度下的结冰黏附力;采集水/冰在冻结过程中的温度变化,并通过成核理论分析实验现象,着重研究冻结用水的初始温度对黏附强度的影响。结果表明：冻结水温初始温度的增加会促进冰晶成核,进而提高黏附强度。     

碳纳米管悬浮液强化重力型平板热管性能的实验

以带有微槽道强化传热面的小型重力型平板热管蒸发器为研究对象,以水-多壁碳纳米管(CNT)组成的纳米悬浮液为工质,在不同运行压力和不同悬浮液质量浓度下对热管蒸发器的沸腾换热特性以及临界热通量(CHF)进行了实验研究.研究证明:以水-多壁碳纳米管组成的纳米悬浮液可以明显地强化重力型平板热管蒸发器的换热特性.沸腾换热系数强化率和CHF强化率随压力降低而大幅度增加.悬浮液质量浓度对沸腾换热系数和CHF也有重要影响,在低质量浓度时,沸腾换热系数和CHF随质量浓度增加而缓慢增加.但是在质量浓度超过2.0%时,质量浓度的影响基本消失.      

气氢/气氧喷注器流量特性实验

针对热试实验所用的两种典型结构气氢/气氧喷注器,开展了不同反压下的流量特性实验.重点考察了燃料喷嘴对氧化剂喷嘴流量特性的影响和压降变化对喷嘴流量特性的影响.研究结果表明:反压从0.2～4 MPa的范围内变化时,双路同时工作时氧化剂喷嘴的流量系数要大于其自身单路工作时的流量系数;氧化剂喷嘴和燃料喷嘴的流量系数均随压降的增大而增大,并且增长趋势逐渐平缓.所得结论对气-气喷注器的设计和改进具有重要意义.      

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。      

高位进气径向出气转静系静盘压力研究

用实验的方法获取了高位垂直进气径向出流的静盘表面压力分布和转静腔内的旋流系数.实验结果表明:在低于0.6倍半径的范围内,沿半径增大方向静压随之增大;在射流孔处压力降至最低,而后又突然升高并逐步趋于平稳;静盘表面压力随着流量的增加而增加,随着旋转雷诺数的增加而降低;在旋转雷诺数小于等于2.6×106、流量系数小于等于4.50×104的范围内两盘间可以形成稳定的旋转核心.此外,在实验范围内,流量系数和旋转雷诺数对旋流系数值的影响较小.      

新型推进剂中聚氨酯粘合剂的稳定研究

采用热失重分析法研究了２, ６－二叔丁基对甲基酚（ＢＨＴ）、吩噻嗪、亚磷酸三苯酯和中定剂二苯基二甲基脲等４种典型稳定剂对推进剂中ＥＯ／ＴＨＦ共聚醚及聚醚聚氨酯粘合剂的热氧稳定效果。吩噻嗪对共聚醚的热氧降解以及聚醚聚氨酯初始阶段的热氧降解具有良好的稳定作用,但在较高温度下,对聚醚聚氨酯的稳定效果急剧下降。亚磷酸三苯酯对共聚醚和聚醚聚氨酯的稳定效果均较差, 但与ＢＨＴ组合使用能获得较好的结果。中定剂对共聚醚没有稳定作用, 但对聚醚聚氨酯表现出较好的稳定效果。ＢＨＴ对共聚醚和聚醚聚氨酯均有较好的稳定效果, 尤其是与中定剂配合使用     

指式密封泄漏特性的实验研究

设计了三组不同间隙的实验件,研究了基本结构指式密封从初始使用到稳定后的泄漏特性.结果表明:指式密封在初始使用时泄漏量较大,而且迟滞较为明显;随着使用时间的增长,密封性能趋于稳定,稳定后"指"之间的间隙对泄漏系数影响比较大;随着压差的增大,泄漏系数先是增加,后趋于定值;在实验转速范围内(<3 000 r/min),转子转速对指式密封泄漏系数影响不大;密封泄漏系数随密封层数的增加而减少.      

带空气雾化喷嘴的燃烧室压力对烟粒浓度及火焰辐射的影响

在一个小型高压燃烧试验台上研究了燃烧室采用空气雾化喷嘴后,燃烧室压力对燃烧室内烟粒浓度和火焰辐射的影响。实验的主要参数 :来流空气压力为 1～ 2 MPa,温度为室温;燃烧室总余气系数为 8.0,工作压力为 0.3～ 0.88MPa。实验结果表明 :主燃区烟粒浓度和火焰辐射随压力增加呈急剧增加的趋势,但其增加的速率是随空气雾化喷嘴的吹气压力的增加而下降;在不同压力下,火焰总辐射沿火焰筒轴向长度呈明显减少的趋势,但在较高压力情况下 (如 pc≥ 0.5 MPa )主要由大量烟粒被氧化消失引起的,而在较低压力情况下(如 pc≤ 0.3 MPa )则主要是由气体辐射的减少造成的。