超临界压力下航空煤油RP-3焓值的测量及换热研究

基于能量守恒原理提出了一种超临界压力下中国3号喷气燃料RP-3焓值的测量方法,同时对不同超临界压力下RP-3在323～843 K内的焓值进行了测量.结果表明当燃油温度低于其临界温度时,不同超临界压力下燃油的焓值几乎是一样的,当温度高于临界温度后,不同压力下RP-3焓值之间的差异随着压力的升高而缩小.另外,根据焓值曲线计算出的燃油温度及吸热量与先前已做的其他流动与换热实验中的测量数据进行了对比,结果表明该焓值是准确可靠的,满足未来航空发动机内空油换热器的设计要求.最后,研究了热流密度对超临界煤油换热的影响,结果显示当燃油对比温度小于1.179（760 K）时,Nu数随着热流密度的增加而增加.      

温度对飞机燃油射流泵工作特性影响

建立了射流泵数学模型,采用数值计算方法对其工作特性进行了模拟,搭建了实验台,采用RP-3燃油,通过实验数据验证了模型的正确性.在此基础上,分别选择了RP-3和JET-A两种燃油,计算了从-40℃~40℃温度下,不同操作压力对射流泵流量比的影响.结果表明:燃油温度高于0℃时,温度对射流泵工作特性影响并不明显,随着温度的降低,射流泵性能与标准温度下（20℃）偏差越来越大,且压比越高此偏差越明显.当温度高于0℃时,采用RP-3和JET-A燃油性能相差不大,RP-3燃油性能略优于JET-A燃油,但是在低温下,RP-3燃油性能远高于JET-A燃油.因此当燃油温度较低且压比较高时,必须充分考虑温度对射流泵特性的影响.      

RP-3航空煤油的亚/超临界密度实测和计算方法研究

为了逐步改善高性能空天动力装置研究中液态碳氢燃料物性数据缺乏的现状,设计了一种气动活塞式的密度测量装置,对压力和温度范围分别为1.2~4.0MPa和293~673K的常用液态碳氢燃料——RP-3航空煤油的密度进行了实验测量,并分析了其密度随温度和压力的变化规律。此外,基于PR状态方程进行了真实流体的密度计算,并结合已有的正癸烷(C10H22)密度实验数据对计算过程进行了修正。通过将采用修正后的方法计算出的RP-3航空煤油的密度值与实验测量值进行对比,发现计算值比实验值稍低,尤其在低温阶段和临界点附近。分析认为,这主要是由于此计算方法用于混合物计算时的局限性造成的。     

基于人工神经网络模型的超临界RP-3热物性计算

为准确得到超临界压力下RP-3的热物性，基于人工神经网络（ANN）方法建立超临界RP-3的密度、黏度、比定压热容和导热系数的计算模型。以广义对应态法则计算得到的RP-3热物性结果训练神经网络，并耦合了实验误差模型得到修正后的ANN模型。计算温度变化范围为300～800 K，压力变化范围为3～6 MPa。结果表明：ANN模型能准确地预测超临界RP-3的热物性，且计算精度比广义对应态法则计算得到的结果提高了16.3%。在压力为5 MPa的工况下，ANN模型预测的密度、黏度、比定压热容和导热系数的回归系数均大于0.99，与实验结果平均相对误差分别为1.5%、4.1%、0.9%和0.7%。     

RP-3航空煤油3组分模拟替代燃料燃烧反应机理

提出了一种包括65%正癸烷、10%甲苯与25%丙基环己烷3组分的RP-3航空煤油模拟替代燃料的燃烧反应机理,该机理由150种组分和591个基元反应组成.采用该燃烧反应机理对RP-3航空煤油模拟替代燃料在激波管和定容燃烧弹中的着火与燃烧特性进行数值模拟,并与相应工况实验数据进行对比分析.通过与RP-3航空煤油单组分正癸烷模拟替代燃料的燃烧反应机理进行对比分析发现:正癸烷、甲苯与丙基环己烷3组分替代燃料的燃烧反应机理对着火延迟时间的计算偏差能够控制在5%以内,对层流燃烧速度的计算偏差能够控制在10%以内,计算值明显优于正癸烷单组分替代燃料;进一步采用敏感性分析方法对3组分模拟替代燃料的燃料反应机理进行了适当修正,修正后机理对层流燃烧速度的计算偏差由10%提高到5%以内,能够更好预测所研究参数下的RP-3航空煤油的着火延迟时间和层流燃烧速度.      

吸热型碳氢燃料RP-3替代模型研究

利用广义对应态法则对吸热型碳氢燃料RP-3的5种替代模型的密度、黏度、导热系数和比定压热容进行了数值计算.计算温度变化范围为300~800K,压力变化范围为3~6MPa.结果表明:不同替代模型均能定性重现RP-3在拟临界温度附近的物性急剧变化;由53%正十一烷,18%正丁基环己烷,29%1,3,5-三甲基苯组成的3组分替代模型在预测RP-3物性上表现最优,相对于实验数据,300~700K内密度相对误差均小于0.08;替代模型的相对分子质量越大,预测的拟临界温度越高,对拟临界温度下物性值的影响无显著规律.      

RP-3和RP-5燃油对全环回流燃烧室点火性能影响研究

为了了解RP-3与RP-5燃油对某小型全环回流燃烧室高空点火性能的影响,在低温低压点火试验器上,保持燃油温度与进口空气温度相同,在-40℃、-30℃、-20℃和0℃,空气压力为44kPa、54kPa、62kPa和101kPa条件下,分别对使用RP-3、RP-5燃油的全环回流燃烧室试验件开展点火试验。结果表明：RP-3燃油在试验的低温、低压条件下可以点火成功,RP-5燃油在温度为-40℃的条件下不能点火成功;燃烧室进口空气参数相同、两种燃油均能成功点火时,RP-5燃油的燃烧室点火边界比RP-3燃油窄20%左右,且其平均着火时间比RP-3长6.8s,但从着火成功到全环周向联焰成功的间隔时间比RP-3短2s;随着燃烧室进口温度降低,两种燃油在相同状态下的点火边界差别逐渐扩大,燃烧室进口空气压力对点火边界的影响比空气和燃油温度的影响大。     

RP-3航空煤油模拟替代燃料的化学反应详细机理

在化学激波管中对RP-3航空煤油的着火特性进行了实验测量,获得了多工况下RP-3航空煤油的着火延迟时间.根据RP-3航空煤油的化学组成及物理特性,提出了由体积分数分别为0.65,0.1,0.25的正癸烷、甲苯与丙基环己烷3种组分组成的模拟替代燃料,并形成了该模拟替代燃料的化学反应详细机理.采用该化学反应详细机理对该模拟替代燃料在化学激波管中多工况下的着火特性进行了数值计算,并与实验数据进行了对比分析.结果表明:在不同压力与当量比下,RP-3航空煤油着火延迟时间的对数与着火温度的倒数呈线性关系,并且随着火温度与压力的升高以及当量比的降低,着火延迟时间逐渐缩短;同时,在各工况下采用该化学反应机理计算得到的该模拟替代燃料着火延迟时间与RP-3航空煤油着火延迟时间的实验值吻合良好.      

RP-5和RP-3燃油对离心喷嘴雾化特性影响分析

为探究RP-5和RP-3燃油对双油路离心喷嘴雾化性能的影响，开展不同供油压力下两种燃油对双油路离心喷嘴的质量流量特性、雾化锥角、索太尔平均直径（SMD）及油滴速度等性能影响的研究，结果表明：在各供油压力下，RP-5燃油的喷嘴质量流量大于RP-3燃油，主油路质量流量相差约为5%，副油路质量流量相差约为2%;RP-5和RP-3燃油的喷嘴雾化锥角大小基本一致；当副油路供油质量流量小于8 kg/h时，RP-5燃油的SMD大于RP-3燃油，当副油路供油质量流量大于8 kg/h时，RP-5和RP-3燃油的SMD基本一致；主、副油路同时供油时，随着质量流量不断增加，RP-5燃油的SMD大于RP-3燃油且差值不断增大；随着供油压力升高，RP-5燃油的油滴速度要显著高于RP-3燃油，且都呈现出“M”形分布。     

超临界RP-3航空煤油喷嘴内部流动与相变特性研究

未来航空燃气轮机采用燃油作为冷却剂,对发动机冷却空气及热端部件进行冷却,使得燃油在进入燃烧室之前超过其热力学临界点,燃油的热力学性质发生巨大变化,将对燃油在喷嘴内的流动和喷嘴下游的喷射掺混过程产生重要的影响,因此有必要对超临界RP-3在喷嘴内的流动与相变特性展开研究。本文采用自主设计的喷嘴内部收缩通道模拟试验件,对超临界RP-3在喷嘴内的沿程压力分布进行测量,并采用基于一维等熵假设的计算方法进行数值模拟。试验首次获得了超临界航空煤油RP-3在喷嘴收缩通道内的沿程静压分布随喷射压力、温度变化的规律。通过与模型对比,发现未发生相变时,计算结果与试验值拟合精度较高,可以较好地预测RP-3在喷嘴内的流动参数,喷嘴内的静压分布也趋于一致;发生冷凝相变时,计算结果与试验值产生误差较大,喷射参数对于静压分布存在着较大的影响。本文试验获得的超临界RP-3航空煤油在喷嘴内的流动与相变特性,为航空发动机超临界RP-3喷射的喷嘴设计提供了重要的设计依据。     

复合材料球面框球皮冲击损伤形貌的数值分析

根据民用飞机复合材料球面框球皮的实际结构铺层与材料体系,建试了三维冲击损伤分析模型并采用Hashin失效准则,对球皮层合板进行数值模拟。同时,采用ASTMD7136试验标准进行低速冲击、试验。数据与计算结果吻合较好,表明该模型可用于预测球面框球皮层压板结构在低速冲击下的损伤形貌和尺寸大小     

指尖密封泄漏特性数值计算与试验研究

为了研究不同压差和转速下指尖密封的泄漏特性,建立了CFD多孔介质数值计算模型,计算分析了某型航空发动机指尖密封泄漏特性。为有效验证数值计算模型的有效性,进行了一定压差、转速工况下指尖密封泄漏特性试验。针对压差和转子离心膨胀导致的多孔介质参数改变,根据试验结果对计算方法进行了分析,引入了压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k,并对修正系数进行了确定及验证。结果表明,未引入压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k时,计算得到的指尖密封泄漏特性与试验值会随着压差和转速的增加而偏离;引入压差修正系数C_k和离心膨胀修正系数k后,计算结果与试验值一致,未随着压差和转速的增加而偏离,最大偏差小于11%,平均偏差小于6%。     

等应变模变薄拉延时的上限法研究

首次拟定了等应变模变薄拉延时的运动学容许速度场。根据上限原理,研究了等应变模变薄拉延时各变形工艺参数对冲头单位压力的作用。同时,结合最小能量原理,优化了重要工艺参数-凹模型线高度(H_opt)值。研究结果表明:变薄系数、加工硬化效应、变形体与凹模间的摩擦是决定冲头单位压力的主要因素;变薄系数、变形体与凹模间的摩擦和工件外形尺寸R_e值是确定H_opt值的决定性因素。黄铜H62和H68的实验结果表明:理论分析与实验结果比较一致。     

高温高压有机工质密度实验测量及预测方法

针对有机工质高温高压下密度的测量较为困难的问题,特别是超临界状态下,设计出高温高压下密度的测量方法,并提出了基于最小二乘支持向量机（LSSVM）的密度预测方法.该方法首先利用实验手段对有机工质在不同温度、压力点下的密度进行测量,并通过对该离散的实验段数据的学习,利用最小二乘支持向量机方法预测得到T-p面上密度的连续值,尤其是实验手段难以测量的超临界下的密度.基于该方法,以有机工质六甲基二硅氧烷为例,得到了其在T（600~850K）与p（1.3~2.25MPa）范围内的密度值及密度关于温度压力的函数公式,并将其结果与公布的密度数据对比,结果表明:两者的相对误差仅为2.4%,证明了方法的有效性.      

齿轮风阻损失仿真及其实际应用

对多种齿形大小相似但种类不同的齿轮进行了仿真研究，对轮齿周围的空气流场以及齿面压力场进行了分析，并对某型航空发动机中央传动锥齿轮的风阻损失进行了评估.结果表明，齿轮的风阻损失由压力损失和黏性力损失构成，其中黏性力损失占比为4%～17%.由于壁面作用，斜齿轮轮齿旋向不同也引入了约60%的风阻损失差异.航空发动机中央传动锥齿轮的风阻损失则在总损失中占比约为49%.      

金属壳谐振陀螺误差补偿方法研究

针对金属壳谐振陀螺的误差建模与补偿方法进行研究.首先,通过分析金属壳谐振陀螺的敏感机理,找到影响陀螺性能的误差源,建立金属壳谐振陀螺的误差模型.然后,研究陀螺的误差传播特性,对误差源进行分类,提出金属壳谐振陀螺的误差补偿方法.最后,利用试验方法对建立的误差模型和补偿方法进行验证.试验结果表明:经过补偿后的金属壳谐振陀螺在工作温度范围内(-45℃ ～55℃)零偏不稳定性降低至4.67(°)/h,全温度段线性度由0.2％降低至0.03％,随机游走为0.6982(°)/h1/2,陀螺的综合性能得到显著提升,证明了误差模型和补偿方法的有效性.     

ASTM承剪胶接接头力学性能研究

对承剪单搭接胶接接头力学性能进行了有限元分析及试验验证。通过对ASTMD 5 6 5 6标准薄胶层试件的试验及其和有限元计算结果的对比 ,确定了胶粘剂材料弹塑性应力应变关系。在此基础上 ,引入等效塑性应变准则和J 积分准则对具有不同胶层厚度的ASTMD 5 6 5 6和ASTMD 31 6 5标准试件的强度进行了预测 ,预测结果与试验结果相吻合。还就含脱粘缺陷的ASTMD 31 6 5标准试件的强度进行了分析。计算结果表明 ,ASTMD 5 6 5 6和ASTMD 31 6 5标准试验测得的胶粘剂表观剪切模量和剪切强度只具有相对意义 ,确定胶粘剂材料工程常数 ,还要在计算结果的基础上进行更深入的理论分析 ;对于含脱粘缺陷的ASTMD 31 6 5试件 ,缺陷的位置对其强度有重要影响     

部件冷却对二元俯仰矢量排气系统红外特征抑制实验

实验测试了采用中心锥气膜冷却和喷管冲击-气膜冷却的二元俯仰（2D-CD）矢量排气系统，在几何偏转0，10，20°三种角度下，壁面温度和红外辐射特征分布，并与未冷却状态进行了对比分析。结果表明:前密后疏的气膜孔排布形式可有效减小热侧面高温区域大小。中心锥冷却时，密流比为0.8条件下壁面冷却效率达45%~63%，排气系统尾向±10°范围内红外辐射强度下降20%；但是由于冷气流注入，导致下游壁面（隔热屏、喷管）温度升高，在30°探测方向上红外辐射强度上升15%。喷管冷却时，收敛段（密流比为0.25）冷却效率达19%~33%，扩张段（密流比为0.65）冷却效率达75.5%~83.5%，侧壁段（密流比为0.65）冷却效率达78%~90%，导致在排气系统尾向15°~75°范围内，红外辐射强度下降30%以上，最大降幅达80%（几何偏转20°，宽边探测面30°探测方向）。      

基于电化学刻蚀与微电铸工艺的微流控芯片模具制作

为解决微流控芯片模具在微电铸工艺中铸层与基底结合力差的问题,在光刻工艺的基础上,采用掩膜电化学刻蚀和微电铸相结合的方法,制作出了结合力较好的镍基双十字微流控芯片模具。针对掩膜电化学刻蚀的工艺参数进行了试验研究,选定了制作微流控芯片模具的最佳工艺参数,解决了酸洗引起胶膜脱落失效、刻蚀引起侧蚀等问题。使用剪切强度表征界面结合强度,运用剪切法测量了微电铸层与基底的剪切强度,定量分析了酸洗工艺和刻蚀工艺的参数对界面结合强度的影响。试验结果表明,酸洗20s后电铸层与基底的剪切强度相对于直接电铸提高了98.5%,刻蚀5min后剪切强度提高了203.6%。刻蚀5min后的剪切强度相对于酸洗20s后电铸的剪切强度提高了53.0%。本文提出的方法能够有效提高铸层与基底的界面结合强度,延长微流控芯片模具的使用寿命。     

T700/9916复合材料层合板恒温吸湿行为研究

研究T700/9916碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板在湿热环境下的吸湿行为.通过测试CFRP层合板在T=70℃恒温水浴和T=70℃相对湿度为98％,91％和84％的环境下的吸湿性能,获得吸湿曲线.结果表明水浸试样相对质量增量趋于平衡时,其他各组试样的相对质量仍线性增加.使用一维Fick模型对实验结果进行分析,得到材料的理论吸湿数据比实验结果整体偏小.通过实验和有限元模拟相结合的方法计算获得材料的扩散率和溶解度,并对不同条件下的吸湿行为进行模拟,模拟结果与实验结果吻合较好,说明通过模拟能够获得材料的长期吸湿动力学曲线和试样内部的水分分布情况.