高温条件下RP-3航空煤油的结焦特性

为了解和掌握航空煤油在高温条件下的结焦性能,通过试验分别研究了RP-3航空煤油在静止状态下的结焦边界温度与结焦特性,以及不同燃油进口条件、壁温对结焦特性的影响。试验结果表明:燃油静止时其结焦边界温度介于437~450 K之间,且随着试验时间的增加,结焦速率呈下降趋势。增加流速,降低进口油温和壁温均可有效降低结焦的生成,且降低进口油温的影响最大。从时间尺度上来看,结焦在前期的累积较慢,但在形成一定量的结焦后结焦速率会明显提升,以400 K进口油温、800 K壁温、05 m/s燃油流速工况为例,8 h和12 h试验件的结焦量分别达到4 h试验件的约15倍和7倍。     

碳化温度对C/C复合材料微观结构及热性能的影响

采用CVI PIC工艺制备了四种碳毡增强碳基复合材料(C/C), 其中对三种样品A、B、C在2 500℃进行了一次石墨化处理,样品D未进行石墨化处理。为与900℃碳化对比,研究了1 500℃碳化对复合材料微观结构及热性能的影响。结果表明:碳化温度由900℃提高到1 500℃后,样品A的开孔率下降11. 6% ~13. 5%, 1 000℃的xy向线膨胀系数由1. 75×10-6 /K增大到2. 17×10-6 /K; xy向和z向的800℃热导率分别由65. 07W/(m·K)、45. 98W/(m·K)增大到75. 44W/(m·K)、54. 86W/(m·K);xy向和z向的比热容分别由1. 70kJ/(kg·K)、1. 43kJ/(kg·K)增大到1. 79kJ/(kg·K)、2. 19kJ/(kg·K)。样品B和样品C也表现出基本相同的趋势;随着碳化温度由900℃提高到1 500℃,样品D中微晶尺寸由2nm增大到4nm。     

纳米隔热材料的热导率变化规律

为认识和掌握纳米隔热材料的热导率变化规律,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源、炭黑为遮光剂、石英纤维为增强体,采用溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥技术制备了纳米隔热材料,并采用热导率测试仪、N_2吸附-脱附、SEM、激光粒度仪对材料进行了表征。测试结果表明:未添加炭黑的材料常压热导率随表观密度的变化以203 kg/m~3为分界点,分界点之前随表观密度的增大线性降低,分界点之后则随表观密度的增大线性升高,并且后一阶段较前一阶段变化快。孔隙率相同时,常压热导率随炭黑含量的增加先降低后稍有升高,极限真空热导率逐渐降低,而常压条件下的气相热导率增大。在半对数坐标系中,气相热导率随环境气压的下降而降低,并且依据降低速率可以划分为三个阶段,101.325～30 kPa之间下降最快,且变化值约为6 mW/(m·K);30～0.1 kPa之间下降较快,且变化值约为2 mW/(m·K);0.1～0.01 kPa之间下降最慢,且基本可以忽略不计。材料常压热导率最低值为16.62 mW/(m·K),添加5wt%的炭黑后可以进一步降低至14.50 mW/(m·K)。     

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%。     

流动方式对航空煤油RP-3结焦的影响

实验研究了航空煤油RP-3在不同流动方式下的结焦分布情况.实验中采用恒定热流的方式将流经单通道不锈钢管中的溶解氧饱和的航空煤油由127℃加热到427℃,系统压力5MPa,质量通量780kg/(m2·s),并利用“称质法”获得煤油结焦数据.实验结果表明,不同流动方式下,结焦速率随着温度升高先增大后减小,存在峰值区域;虽然结焦速率峰值点出现对应的外壁温不同,但是结焦速率分布曲线相似,呈现单波峰形态;结焦总量大体相当;重力的影响体现在结交峰值位置的偏移上.      

航空煤油替代燃料模型热物性

研究基于国产航空煤油RP-3液相组分数据,提出了单组分、简化3组分和详细13组分3种替代燃料模型,并对采用3组分替代模型计算得到的燃料密度、黏度、导热率、比热容4个热物性参数进行了在不同温度(300~1000K)和压力(1~15MPa)状态下的分析.结果表明,燃料的物性在超临界压力下,随着温度升高,密度减小,黏性降低,热导率则先降后增,而比热容逐渐增大,同时,在拟临界温度附近,燃料热物性均发生变化剧烈,比热容在不同压力下对应不同峰值点,在3MPa下最大;压力的变化会使得拟临界温度发生改变,给密度的变化程度、比热容的峰值分布和热导率的大小带来一定的影响.采用3组分替代模型预测燃料热沉,经实验验证,其物理热沉吻合较好.      

增材制造螺旋圆管航空煤油热氧化结焦特性的试验研究

为得到环境温度、入口雷诺数和磨粒流处理工艺对RP?3航空煤油氧化结焦特性的影响,针对增材制造（3D打印）螺旋圆管,采用了恒定环境温度的试验方法,开展了RP?3航空煤油热氧化结焦试验研究。试验结果表明:当入口雷诺数和试验时间保持恒定时,无论燃油处于静止还是流动状态,燃油结焦速率和总结焦量都随着环境温度的增加而增大;当试验件壁温和试验时间保持不变时,燃油处于流动状态下,燃油结焦速率和总结焦量随着入口雷诺数的增大呈现先增加后减少的变化趋势。采用磨粒流处理后,燃油在试验件内的结焦速率大于基准工况,总结焦量是基准工况下的1.17倍。对试验件内表面进行磨粒流处理不利于抑制结焦沉积。      

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.      

砂型材料导热系数的测试研究

本文在实际金属浇注法的基础上,运用参数优化技术设计了求解砂型材料导热系数的通用程序,测定了几种常用砂型材料的表观导热系数。实验结果表明:干砂型的表观导热系数是其密度、温度的函数;湿砂型水分凝聚区的表观导热系数是干砂区表观值的3～4倍。本研究为砂型材料导热系数的测试提供了一种新方法。     

超临界压力下乳化煤油比定压热容测量

为了准确测量高温高压下乳化煤油的比定压热容,基于能量守恒的量热计理论,搭建了一套流动型比定压热容在线测量系统。系统温度测量范围为301~900K,测量压力可达10MPa。通过去离子水和质量比1:1正辛烷-正庚烷混合物对测量系统进行标定,实验结果与文献值进行比较,最大相对误差小于±1%,相对误差绝对平均值在0.46%以内。在此基础上,对含水质量分数为10%,20%,30%,50%的四种乳化煤油比定压热容进行测量,温度为301~880K,压力为3MPa。实验结果与航空煤油RP-3进行对比,结果表明:相同工况下,乳化煤油比定压热容较大,吸热能力更强,冷却壁温效果更好。该系统的搭建为进一步研究乳化碳氢燃料比定压热容创造了条件。     

高硅氧纤维/酚醛泡沫复合材料的结构与性能

以高硅氧短切纤维毡为增强体,分别以酚醛树脂和酚醛泡沫为基体,制备了高硅氧/酚醛与高硅氧/酚醛泡沫两种复合材料,采用红外光谱分析、扫描电镜分析、热失重分析等方法对其结构和性能进行了表征。结果表明,两种材料具有相似的基体化学结构和相近的固化反应温度,均具有良好的耐热性能,性能测试结果表明,复合材料中基体由酚醛树脂变成酚醛泡沫后,力学性能明显降低,同时,密度由1.65 g/cm3降低至0.5 g/cm3,热导率由0.5 W/(m·K)降低至0.09 W/(m·K)。     

低密度气凝胶复合材料的火星环境适应性研究

针对航天器的使用要求,研制了密度≤30 kg/m~3轻质高效的二氧化硅气凝胶复合材料。针对深空探测的应用环境,对低密度气凝胶复合材料在不同条件下的热导率、热循环、热真空和电离总剂量等环境试验进行测试。结果表明,低密度气凝胶复合材料服役温度可达到-145～85℃,在1 kPa CO_2气氛下热导率可达到6.6 mW/(m·K)。获得了不同气氛和不同温度条件下以及同种气氛、不同压力条件下低密度气凝胶复合材料的热导率变化规律,并测试批次性材料热导率,结果表明批次热导率稳定性良好。热循环、热真空和电离辐照试验前后热导率和尺寸收缩率均未变化,表明低密度气凝胶复合材料在深空环境下保持良好的结构和稳定的隔热性能。     

适于低温应用的玻璃纤维/聚醚酰亚胺复合材料

采用不同含量玻璃纤维/聚醚酰亚胺制备高性能复合材料,对其超低温(-253℃)线胀系数进行深入研究,并对其常温下的热导率、力学性能进行比较.结果表明,玻璃纤雏质量分数为30%时,复合材料的综合性能优异,其典型性能如下:低温线胀系数纵向为2.16×10~(-5)/K,横向为3.03×10~(-5)/K,热导率为0.31W/(m·K),拉伸强度为158 Mpa,弯曲强度为264 Mpa,无缺口冲击强度为4.24 J/cm~2.     

超高温刚性隔热材料的制备及性能

针对新型航天飞行器高温隔热(约1 500℃)的迫切需求,开展了超高温刚性隔热材料的制备和性能研究。采用陶瓷纤维和无机粘结剂,经过湿法抽滤成型、高温热处理等工艺制备了刚性隔热材料。对材料的微观结构、热物理和力学性能进行了表征、测试。结果表明:纤维有效粘结在一起;通过改变纤维和粘结剂的比例,可以调节材料性能;热导率、力学性能与密度近似呈直线关系。材料在1 500℃经1 h处理后线收缩率<2%,密度为0.3～0.5 g/cm3,热导率为0.06～0.09 W/(m.K),压缩强度为0.6～1.2 MPa。     

轻质耐高温隔热材料及成型技术

针对型号更高的热环境要求,开展新型轻质耐高温隔热材料研究。采用耐高温酚醛树脂作为基体树脂,添加纤维、功能性填料,通过预混料片材进行低压固化成型,对所制备的隔热材料试片进行密度、热性能以及力学性能等的测试。结果表明:该材料体系密度为0.6~0.9 g/cm^3,初始分解温度大于450℃,拉伸强度大于12MPa,200℃拉伸强度大于10 MPa,热导率低于0.25 W/(m·K),并可根据实际应用需求,实现对材料各方面性能的调控。所制备的隔热材料试片通过某型号风洞考核验证,采用该材料体系制备的大尺寸异形结构舱体通过力热联合试验考核,满足总体设计要求。     

涂层材料瞬态传热实验与导热系数辨识

针对涂层-基体一体化的双层结构,为测试评估其中涂层材料的导热性能,提出基于瞬态平面热源法（transient plane source, TPS）的涂层材料导热系数反演辨识方法。根据Hot-Disk实验测试原理,建立基体-涂层-探头整体的二维非稳态传热模型;结合测量过程中的瞬时温升数据信息,采用粒子群优化算法反演辨识获得涂层材料的导热系数;并通过实验和数值模拟论证了上述方法的可靠性。结果表明：该测量方法能够有效获得涂层导热系数,测试反演的数值偏差小于4.0%。最后,实际测量和反演辨识获得了一种涂层材料常温至773 K的导热系数,随温度提高呈现增大趋势,数值范围为0.18～0.29 W/(m·K)。     

各向异性陶瓷基复合材料涡轮叶片概率性热分析方法

考虑陶瓷基复合材料等纤维增韧复合材料导热系数的各向异性及分散性，建立了基于概率统计的陶瓷基复合材料涡轮叶片热分析方法。研究中以Mark Ⅱ涡轮叶片冷却结构为例，综合利用有限元方法和蒙特卡洛方法，分析了应用陶瓷基复合材料后的温度场均值和波动特性。计算中将导热系数作为随机输入参数，分析了导热系数各向异性及其分散度对叶片前缘滞止点温度、尾缘温度以及高温区域（T>900K）面积的影响。计算中发现在本文的计算工况下,考虑导热系数存在正态波动情况时，叶片前缘滞止点、尾缘温度波动也满足正态分布。前缘滞止点温度在导热系数变异系数为01,导热系数比为2时其温度波动最大，相比12731K的均温，有16%的概率超温913K。尾缘温度在导热系数变异系数为01，导热系数比为10时波动最大，有16%的概率超过均值11529K达527K。计算结果表明:导热系数分散度所带来的波动，会导致叶片内部高温关注区域（T>900K）的面积增大，并且高温关注区域相对增加量ΔShot随导热系数变异系数α的增加而增加。计算结果表明，高温关注区域相对增加量最大发生在导热系数比为2，变异系数为0.1时，此时ΔShot=4.8%。