S型管内超临界航空煤油的裂解与结焦研究

再生主动冷却是超燃冲压发动机热防护的关键技术之一。为了探究冷却通道中弯管结构产生的二次流对碳氢燃料裂解与结焦特性的影响,使用S型圆管实验段进行了RP-3航空煤油超临界裂解结焦实验。重点考察了沿程壁温、产气率、气相产物分布以及S型管结焦沿程分布特征。实验结果表明：由于S型管的结构特点,沿程壁温和结焦分布均呈现出与直管相迥异的特征。在两个弯道区域,离心力产生的二次流加剧湍流混合,强化了局部换热,导致壁温下降。结焦率在弯道结构处出现小幅度局部峰值,在出口温度为700℃时,第二个弯道处平均结焦率比中间直管段提高了101%~170%。这可能与弯道处对应的局部高温、输运作用增强和局部摩擦阻力的增大三者综合作用有关。此外,还发现S型管产气率比直管更高,在出口温度为700℃时提高了10.2%~14.9%。可能是弯管处内侧壁面附近的燃料受局部高温影响,裂解反应加剧,产气率增加。而S型管的特殊结构对裂解的反应路径无明显影响,因此气相产物分布与直管并无明显差异。     

加力燃烧室用气冷喷油杆结焦特性数值研究

为阐明实际工作环境参数下气冷喷油杆内燃油结焦速率与沉积厚度等特性,建立沿喷杆轴向的一维非稳态热-流-固耦合换热与燃油结焦计算模型,获得了喷杆壁面与燃油温度、结焦速率与相对结焦厚度等参数沿程分布。分析了燃油进口温度和质量流量对燃油结焦特性的影响,并与无气冷喷杆方案结果进行了对比。计算结果表明:燃油温度沿轴向逐渐升高,喷杆壁温在底端达到峰值。基准工况下气冷喷杆结焦速率和结焦厚度均沿轴向先升高后降低。结焦速率最大为26μg/(cm2·h),对应相对结焦沉积厚度0.6%。无气冷喷杆方案,在喷杆前端和底部各存在一结焦峰值区域。结焦速率峰值分别为398μg/(cm2·h)和807μg/(cm2·h),对应相对结焦沉积厚度8%和15%。固定燃油进口流量,随着燃油进口温度升高,结焦速率显著增大,喷杆内结焦总质量呈指数级增长趋势。固定燃油进口温度,进口流量越大,结焦速率略有增大,结焦总质量仅呈线性增长趋势。相较于无气冷喷杆,气冷喷杆可显著降低喷杆壁面与燃油温度,从而大幅抑制结焦生成。     

燃油液雾的相移多普勒激光诊断试验

本文介绍了在新建燃油喷雾激光诊断试验器上所获得的航空发动机燃油喷嘴的油雾结构和雾化特性。试验前对相移多普勒粒度分析仪(PDPA)作了校验,其滴径误差为4.5％。试验详细测定了这种双油路喷嘴的主、副油路的雾化特性,包括在不同油气比、供油压力和不同轴向位置的粒度、速度、通量分布等。将所得到的空间点液滴直径进行线和面积分处理,结果与理论计算值相一致;而与Malvern仪测量值相比,在大油气比下有相当大的差别。     

不同几何结构对燃油喷嘴热防护特性的影响

试验研究了不同管路结构对燃油结焦性能的影响,结果表明,在1 000 K、150 m/s来流条件和400 K、05 m/s燃油条件下,减小弯管角度和突扩管路的突扩尺寸可以降低结焦附着,且在对管路加热的初始阶段中,结焦量随时间增加会出现波动,在加热15 min时管壁结焦量达到最大,壁面上部分结焦的脱落使结焦量降低。随后,采用试验与数值模拟相结合的方法研究了喷嘴和喷嘴帽罩结构对热防护特性的影响。结果表明,主、副油路同心布置的喷嘴具有最好的热防护效果,在所试验工况下最高可降低湿壁温度近50%,甚至优于带空气隔热层的模型。而喷嘴帽罩对喷嘴出口油温的降低有限,但减小帽罩与喷嘴体的接触或在接触面处填充低热导率的材料仍是有效的改进措施,可降低出口油温约5 K。研究结果对喷嘴的热防护设计具有指导作用。     

超临界压力下航空煤油RP-3壁面结焦特性对换热的影响

研究了超临界压力下航空煤油(RP-3)在微细管内流动过程中结焦对换热的影响规律.实验中系统压力保持为5MPa,燃油质量流量为3g/s.燃油溶解氧达到饱和,实验段进出口油温分别为127℃和450℃,实验时间为60min,并利用“称质法”获得煤油结焦量.结果表明:由于壁面结焦的差异使得换热特性沿实验段可分为3个区域:进口低温段的传热稳定区、结焦峰值处的传热恶化区和出口高温段的短期强化区.进口低温段结焦量较少,对换热的影响可以忽略;结焦峰值处由于其结焦迅速且量大致使管内传热热阻突增,传热系数下降36.1%故出现传热恶化;高温段出现短期强化是由于结焦微粒附着于管壁,增加了其粗糙度而导致近壁面处流体湍动能增大以及由于近壁面高温区域煤油裂解结焦而产生化学吸 热量,进而强化换热.随着时间的推移,结焦量不断增多,结焦热阻增加的效应抵消并超过以上两种因素的影响,因此又出现传热恶化.      

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。      

U形管内含水航空燃油流动及换热特性数值模拟

为探究航空发动机燃油管路内流动及换热特性,建立发动机外部U形燃油管路含水燃油离散相模型（DPM）进行数值模 拟。结果表明：体积含水率（≤10%）越高,U形管全管段的压降梯度越大,换热系数越高;流动分离、迪恩涡、离心力作用和油水两 相相互作用导致流动阻力增大,是弯管段压降梯度明显大于一般直管的主要原因。不同流量条件下：迪恩涡引起的燃油横向输运 和二次流流速分布对弯管段的周向换热不均现象影响较大,弯管内、外侧的换热系数大小关系可以根据弯管段迪恩数判定。环境 温度不变,流量越大,U形管全管段压降越高,沿程换热系数越大,且含水率越高,流量对压降梯度的影响越明显;流量不变,环境 温度越低,U形管全管段压降越高,沿程换热系数越小。     

供油瞬态喷油杆内燃油结焦机理及规律数值研究

为获得喷油杆通断循环供油工作模式下,供油瞬间燃油结焦速率陡增机理,本文建立起沿喷杆轴向的一维非稳态热-流-固耦合换热与燃油结焦计算模型。获得不同时刻壁温、油温与结焦速率等参数轴向分布。通过与连续供油模式下的结果进行对比,来分析供油瞬间灼热喷杆内壁对燃油热冲击的影响,以获得结焦速率陡增机理。结果表明通断供油模式下,供油瞬间会迅速形成一尖锐的油温和结焦前体浓度峰值,结焦固相表面反应被迅速激发,结焦速率陡增。在喷杆前端（x=100mm）与底部（x=260mm）附近各存在一结焦速率峰值区域。通断供油模式下,在x=100mm和x=260mm位置处,每个周期供油起始时刻结焦速率峰值分别在5000μg/cm2h和2000μg/cm2h左右,远大于连续供油下的值。但供油结束时刻,供油模式的影响大幅下降。此外通断供油下,供油瞬间热冲击对燃油结焦的影响沿喷杆轴向逐渐减小。减小喷杆供油流量,热冲击的影响有所下降,且随时间先升高后降低。提高进口油温,热冲击的影响显著减小,且随供油时间逐渐降低。     

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。     

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。     

基于ANSYS Workbench的压接修理民机液压管路振动特性分析

探究振动环境中管径为1/4 in的民机液压直管的最佳压接修理尺寸。首先，建立压接修理民机液压直管与流体的有限元模型，在ANSYS Workbench中对该模型进行有限元仿真分析得到其前6阶固有频率；然后，用三综合振动试验台对压接修理民机液压直管进行扫频振动试验，得到其前6阶固有频率，将试验结果平均值与仿真结果进行对比，结果误差较小且曲线拟合良好，验证了有限元仿真分析的合理性；最后，对压接修理民机液压管路进行受力分析，并以压制区域公差和压接长度为变量分别对压接修理民机液压直管进行固有频率、最大应力以及沿Y、Z轴方向的最大位移响应进行分析。结果表明：压制区域公差为4 mm、压接长度为39 mm时，管路的固有频率较大，应力及位移响应较小，此时，最大应力及位移响应集中分布于压接接头处，且与受力分析结果一致。     

基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法

为了快速准确地计算卡箍管路系统的振动响应，提出了基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法。对卡箍直管系统进行低幅值激励的模态测试，利用试验数据对有限元模型进行修正，识别卡箍线性刚度、线性阻尼参数。对卡箍直管系统开展不同激励水平下的恒力测试，通过样条插值多项式法将恒力频响函数转换为恒位移、恒速度频响函数，并进一步识别卡箍非线性等效刚度、非线性等效阻尼，建立了考虑卡箍非线性的等效动力学模型。研究表明:该卡箍等效动力学模型的预测频响函数与试验频响函数的最大误差仅为-6.9%，可以有效地反映卡箍实际的刚度、阻尼特性，对解决卡箍管路系统的振动响应分析具有重要的指导意义。      

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.      

插入式机翼下壁板对接附加弯矩研究

插入式机翼下壁板对接具有双剪传力稳定、疲劳性能好的优点，但其结构中心线在对接区变化明显，会带来附加弯矩。为尽量减小对接区的附加弯矩，提出了在建立飞机骨架模型时即优化中央翼下翼面外形面相对外翼下翼面的位置方法。基于插入式机翼下壁板对接结构的特点，阐述了对接结构偏心的来源和附加弯矩的形成；针对某A型飞机的对接结构计算了偏心值，并利用力法对附加弯矩在对接区的分布进行了计算分析。以某A型飞机的对接结构为基础，建立了4组插入式下壁板对接结构的模型，每组模型的中央翼下翼面位置相对外翼的不同；分别用力法和有限元法对附加弯矩进行了计算。结果表明：可以通过优化中央翼下翼面外形面的相对位置达到减小对接区附加弯矩的目的。描述了另外两种下壁板对接形式的附加弯矩情况，并和插入式的进行了简单比较。最后，总结了为减小区域附加弯矩及其不利影响在对接结构设计上需要注意的点。     

发动机泵后管路-汽蚀管系统水力激振试验

为了研究火箭发动机泵后管路-汽蚀管系统动力学特性,开展水力激振试验。在汽蚀管下游引入水力激振信号,测量供应管路和推力室头腔的脉动压力,建立描述系统动力学特性的传递函数。结果表明:该系统主要表现出1阶谐振特征,高阶谐振峰不明显。在谐振频率下,汽蚀管出口至氧主阀之间管路上脉动压力的幅值整体较高,脉动压力幅值沿流向逐步增大;经过氧主阀后,压力振荡幅值沿流向快速降低。发现了压力脉动通过此汽蚀管向上游传播的现象:即使汽蚀管处于汽蚀状态,仍存在部分压力脉动通过汽蚀管逆向传播至上游管路;而汽蚀管对整个管路仍然起到了明显的隔振效果。在过大的汽蚀裕度下,汽蚀管出口由声学闭端边界逐渐向声学开端边界转变。      

基于EtherCat总线的高速多轴联动智能弯管机控制系统

弯管机作为管件弯曲成型的主要机械设备,广泛应用于各行业领域。随着竞争力水平提高,市场对弯管机在效率和自动化程度方面提出了更高的要求。针对侧弯式弯管机的特点,提出一种基于EtherCat总线的伺服运动控制系统。该控制系统有着更强大的数据处理能力,能保证各个轴的动态连续性和控制精度,充分满足各种不同大小、不同角度的管件弯管需求。     

基于离散元的粉末燃料输送弯管两相流特性研究

弯管是粉末燃料冲压发动机燃料输送系统的重要组成部分,为了研究弯管内气固两相流的流场结构、颗粒碰撞以及压力损失的变化规律,基于连续相-离散元（CFD-DEM）耦合模型,考虑颗粒的碰撞受力和弹塑性形变,对铝粉在弯管内的流动状况进行数值仿真。研究结果表明：CFD-DEM算法相对于传统的双流体模型和轨道法,能更为准确地描述颗粒流的碰撞信息和两相流的流动状况。弯管内的总压损失随流化气流量的增加,呈先减少再增加的趋势,在本文研究的条件下,优选的流化气流量为6g/s~7g/s(流化气速度为3.0m/s~3.5m/s);在低流速下,颗粒间的碰撞次数远大于颗粒-壁面间的碰撞,随着流速的增高,颗粒与外侧壁面间的碰撞次数迅速增高,并导致颗粒-壁面间的碰撞次数超过颗粒间的碰撞。弯管的弯径越大,弯管内的总压损失越大,但颗粒-颗粒、颗粒-壁面的碰撞次数均减少。     

D300mm×3420mm圆管内旋转流流场的LDV实验测量

利用激光多普勒测速仪（LDV）对直径D300mm×3420mm圆管内的旋转流场进行了实验测量,重点测量切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布。测量结果表明圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态,旋转流强度沿轴向存在着明显的衰减特性,且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动,即由上游的刚性涡逐渐向下游的准自由涡和刚性涡组合过渡;轴向速度的分布存在着很大的不均匀性,在r=0．5R区域存在一个轴向速度的低速区,甚至出现上行,但在轴向位置z〉10R后轴向速度全部向下,并向均匀分布发展;圆管内的切向湍流强度比轴向湍流强度大一倍,两者的湍流强度在准自由涡区径向分布比较平均,中心刚性涡区域的湍流强度比较高,而且随轴向位置的变化衰减不明显。     

超临界RP-3管内换热特性实验

实验研究了超临界RP-3管内换热特性。实验段为2100mm长、外径2.2mm,内径1.8mm不锈钢管(材质:1Cr18Ni9Ti)。RP-3在5MPa压力下流经该实验管,采用近似等热流加热方式将其从127℃加热至427℃。通过测量0min,20min,30min,45min和60min时管外壁和流体温度得到管内对流换热系数hin沿流向分布、结焦对管内传热系数Kin影响。研究结果表明:在远离临界点的亚临界区域,hin随着RP-3温度上升逐渐增大;在近临界区管内对流换热系数迅速增加;而进入超临界区域后,hin保持在1.8×104W/(m·℃)附近;结焦对管内传热影响显著,Kin随结焦增多逐渐降低,而降幅逐渐减小。