水蒸汽亚毫秒级凝结实验研究

为模拟高超声速风洞中水蒸汽凝结现象,设计了一种基于稀疏波反射原理的凝结实验系统,采用“空间等效时间”思想,在固定位置测量流场随时间的变化,实现了0.14～1.4ms亚毫秒时间尺度的凝结。通过吸收光谱测量方法实现了凝结过程中流场温度、水蒸汽含量的高时间分辨率（100kHz）测量,对小时间尺度凝结现象的影响因素进行了分析。结果表明：不同亚毫秒时间尺度下凝结规律相同;水蒸汽含量或试验段初始压力增加,凝结发生越快,即喷管中的凝结位置越靠前,而发生凝结时的拐点温度越高;初始压力与水蒸汽含量不变时,压力下降速度越快,发生凝结位置越靠前,发生凝结时拐点温度相同。     

胶黏剂出气污染物在低温敏感表面凝结特性

未来卫星所携带的光学系统载荷温度往往很低,低温表面更容易被出气污染物分子污染,进而可能降低光学系统的性能以及其在轨使用寿命。针对以上问题,本文基于扩散理论和经典吸附动力学理论,获得了胶黏剂出气污染物在低温敏感表面详细的理论模型,利用航天器材料放气污染特性测试标准ASTM E 1559对胶黏剂出气污染物在低温敏感表面出气凝结特性进行了研究。结果表明,实验结果与理论模型具有良好的一致性,获得了胶黏剂出气污染物在低温敏感表面的凝结理论模型,用于对低温表面进行污染预估和控制,从而为污染计算与预测提供了可借鉴的手段。     

水蒸汽凝结对超声速风洞蒸汽引射系统的影响

蒸汽引射方案是引射式超声速风洞的可选方案，为考察该方案产生凝结激波的条件及其水蒸汽凝结对引射系统性能的影响，在Fluent平台上采用自定义模块耦合希尔动量模型，编写了能模拟高速气流中水蒸汽凝结的计算程序。校验了数值模型和方法的可靠性。在此基础上，对蒸汽引射流场内的水蒸汽凝结问题进行了初步数值研究。得到喷管、引射流场参数以及液滴质量百分数、结核增长率的分布。结果表明：（1）水蒸汽凝结主要发生在引射喷管和喷管出口膨胀区中。其中，在引射喷管内的蒸汽凝结占大部分。凝结核增长为主要特征。（2）初始结核区位于超声速气流是凝结激波产生条件。采用饱和蒸汽引射可避免产生凝结激波。（3）尽管是否考虑凝结／无凝结效应会造成引射流场产生差异，但两者总体相似。（4）水蒸汽凝结会给引射系统带来较大的性能损失，但通过改进气动轮廓可减小其影响。     

用光散射效应分析激波管内膨胀率对水蒸气成核与凝结的影响

用多重光散射法对水蒸气在激波管中的自发成核凝结过程进行了实验研究，分析了膨胀率对成核率和凝结过程的影响。根据理论计算和实测数据结果，所得结论是：膨胀率增大。会造成过饱和度、成核率、凝结质量份额和液滴生长率相应地增大。     

矩方法及其在水凝结研究中的应用与发展

矩方法(Method of Moments,MOM),又可以称作内部坐标矩方法,通过求解液滴尺寸分布函数对内部坐标的各阶矩的输运方程,反映粒子数量及尺寸分布的演化。在各种有关伴随凝结流动的数值方法中,矩方法兼顾了计算效率和液滴分布信息,因此被广泛应用于水凝结的研究。本文首先介绍了经典矩方法,综述了矩方法的最新发展。然后应用经典凝结矩方法,研究了伴随同质凝结的Prandtl-Meyer膨胀流动问题,计算发现随着来流水蒸气饱和度的提高,凝结诱导的激波由定常状态向非定常状态转变,出现自激振荡现象;进一步,将经典凝结矩方法推广到异质凝结领域。通过引入"瞬间活化"假设,简化了异质成核模型,将此方法应用到伴随异质凝结的激波管问题中,进行了参数研究,加深了对异质凝结和流动相互作用的认识;最后针对经典矩方法无法处理相间相互作用的问题,将经典矩方法中的矩方程改写为基于液相平均速度的形式,发展了一套考虑相间质量、动量、能量交换的矩方法,应用此方法研究了伴随同质凝结的旋涡运动问题,分析了旋涡中凝结的产生过程,以及凝结与流动相互作用对液相分布的影响,计算结果显示了凝结生成的液滴在离心力作用下离开旋涡中心的现象。     

凝结相变对低温风洞雷诺数试验的影响

为了研究凝结相变对低温风洞雷诺数试验能力的影响,基于Fluent软件建立了气-液两相凝结流动模型,相变模型采用考虑非等温效应修正的经典成核理论和Gyarmathy液滴生长理论;针对不同来流压力和不同试验雷诺数工况条件,对氮气绕流NACA 0012翼型进行了数值模拟。模拟结果表明:随着来流温度的降低,翼型附近区域气体膨胀越过气态饱和线并达到过冷状态,进一步降低来流温度则会在宏观层面上观测到凝结相变对当地流场的改变,与无凝结相变的流场相比,释放的潜热加热气流导致马赫数降低及压力系数的改变;在确保不破坏翼型气动性能试验的前提下,充分利用气体过冷区域来降低来流压力以此减少驱动功率和液氮喷入量是可行的,或者保持来流压力不变提升低温风洞的试验雷诺数。     

普朗特-迈耶流中湿空气非平衡凝结影响的研究

普朗特-迈耶流是飞行器设计过程中一种重要的基本流动.本文发展了求解湿空气非平衡凝结流动的数值方法,对凸角分别为90°和40°的湿空气来流条件下的普朗特-迈耶流动进行了数值模拟,并且与试验结果进行了对比.90°凸角时,膨胀扇内静压分布的计算值与试验结果吻合良好.40°凸角时,膨胀扇内密度的计算值与试验值吻合良好;随着来流相对湿度的增加,凝结起始位置向上游移动而最大成核率减小.膨胀扇内的湿空气非平衡凝结显著改变了压力、马赫数、温度等参数的分布.     

翼型湿空气非平衡凝结流动的数值研究

 湿空气非平衡凝结会对机翼的气动特性造成显著影响。通过对Fluent软件进行二次开发,发展了一种求解湿空气非平衡凝结流动的数值方法并进行了验证。对NACA0012翼型在迎角为0°和1.5°时的湿空气非平衡凝结流动进行了分析。结果表明：与干空气流动相比,在30％～70％相对湿度范围内,湿空气非平衡凝结流动中升力系数显著降低,而阻力系数则可能增加或减小;0°迎角条件下,压差阻力系数最大增加了68.3％;在迎角为1.5°时,升力系数最大减小39.8％,而压差阻力系数最大减小了34.8％。造成翼型气动特性显著变化的原因在于：湿空气中水蒸气凝结放热对跨声速气流加热,导致翼型表面附近的流速、压力与流场结构发生了显著变化。     

湿空气凝结对ONERA M6机翼气动特性影响的数值研究

大气飞行条件下机翼附近的跨声速湿空气流动中空气中含有的水蒸汽可能越过饱和线而发生非平衡凝结。水蒸汽凝结潜热加热气流会改变跨声速流动的特性,从而对机翼气动特性造成显著影响。本文建立了湿空气非平衡凝结流动的数学物理模型,对ONERA M6机翼在跨声速条件下的湿空气非平衡凝结流动进行了分析。结果表明,与干空气流动相比,在攻角为3.06°和空气相对湿度为50%时,ONERA M6机翼表面压力系数有显著变化。造成机翼气动特性显著变化的原因在于:湿空气中水蒸汽凝结放热对跨声速气流加热,导致机翼表面附近的流速、压力与流场结构发生了显著变化。     

电荷作用对均质-非均质凝结流动的影响

基于Fletcher成核理论及均质-非均质凝结双流体模型,讨论了电荷作用对凝结流动的影响,结果表明:有无电荷影响时,成核率计算公式精度均较高,流场参数的计算结果与实验结果吻合良好,相对误差不超过5%,表明所建的均质-非均质凝结双流体模型具有较高精度.不带电时,加入颗粒半径为5nm颗粒前后流场过冷度差别较小,加入颗粒半径分别为8nm和10nm颗粒后过冷度峰值虽分别降低2K和7K,但均导致自发凝结向下游迁移.当颗粒带电荷量为Q=1e,加入颗粒半径为5nm颗粒情况下对减小成核自由能障、增加非均质成核率的作用最为明显,这一作用在颗粒半径为8nm时较弱,颗粒半径为10nm情况下最弱.当带电量增加至Q=3e时,加入颗粒半径分别为5nm和8nm颗粒情况下峰值过冷度与均质凝结相比分别下降10K和6K,且较明显地抑制了自发凝结发生.      

激波风洞温敏热图技术初步试验研究

介绍了可用于激波风洞等高超声速脉冲设备复杂外形模型表面热流分布显示与测量的温敏热图技术。该技术利用温敏材料发光特性随温度变化的特点实现对模型表面的温度测量,进而分析获得其表面热流分布。由于有效运行时间一般只有10ms左右,在激波风洞中采用温敏热图技术在材料温敏响应、图像采集等方面均存在困难,导致此技术还很不成熟。介绍了近期在CARDC 0.6m激波风洞中开展温敏发光热图技术研究的情况,包括发光材料的研制、材料喷涂、图像处理及标定等方面的研究工作。验证试验采用了平板加钝舵模型,获得了与理论分析及传感器测量结果较一致的平板干扰区热图结果。热图与薄膜传感器测量数据差异大致在5%~25%之间。     

防冰部件表面流动换热与温度计算分析

在考虑防冰部件湿表面水膜流动与传热相互影响的基础上,提出了一种基于湿表面传热与流动耦合作用的防冰部件表面温度预测方法.应用此方法,计算了一种全蒸发防冰翼型工作时的表面流动换热和温度分布.分析了湿表面上各项热流的作用效果.结果表明:部件表面换热系数对壁面温度的计算最为敏感,影响很大:水膜流动能吸收并传递加热热量;全蒸发防...     

Simulation of mass and heat transfer in liquid hydrogen tanks during pressurizing

In order to accurately predict the heat and mass transfer behaviors and analyze key factors affecting pressurization process in the hydrogen tank, a comprehensive 2 D axial symmetry Volume-Of-Fluid(VOF) model is established by Computational Fluid Dynamics(CFD) method.The effects of phase change, turbulence and mass diffusion are included in the model and relationships between physical properties and temperature are also comprehensively considered. The phase change model is based on Hertz-Knudsen equation and the mass transfer time relaxation factor is determined by the NASA's experimental data. The mass diffusion model is included in gaseous helium pressurizing. The key factors including the inlet temperature, inlet mass flow rate, injector types and pressurizing gas kinds are quantitatively analyzed. Compared with the experiment, the simulation results show that the deviation of pressurizing gas mass consumption, condensing mass and ullage temperature are 3.0%, 7.5% and 4.0% respectively. The temperature stratification is existed along the axial direction in the surface liquid region and the ullage region, and the bulk liquid is in subcooled state during pressurizing. The location of phase change mainly appears near the vapor–liquid interface, and the mass transfer expressing as condensation or vaporization is mainly determined by the heat convection and molecular concentration near the vapor–liquid interface.The key factors show that increasing the inlet temperature and inlet mass flow rate could shorten the pressurizing time interval and save the pressurizing gas mass. The proportion of the total energy addition of the tank absorbed by the ullage region, the liquid region and the tank wall respectively is greatly influenced by the injector types and more heat transferred into the ullage would result in a faster pressure rising rate. Gaseous hydrogen pressurization has a higher efficiency than gaseous helium pressurization. The simulation results presented in this paper can be used as a reference for design optimization of the pressurization systems of cryogenic liquid launch vehicles so as to save the mass of pressurizing gases and shorten the pressurizing time interval.     

基于翅片板结构的烟气对流冷凝传热性能

在冷凝实验台上对一种用于冷凝式烟气余热回收的翅片板换热器进行实验,研究了该结构的传热和流动性能,分析了烟气温度、流速等对冷凝的影响,得到了Nu-Re和 f-Re曲线,并对该换热结构在干空气风洞实验台上测试的结果进行了比对.结果表明:由于大量不凝性气体的影响(质量分数为92%),冷凝传热对整体传热性能的强化并不明显,伴随有冷凝的烟气表面传热系数约为相同工况下无凝结表面传热系数的1.1～1.2倍.得到了无量纲数冷凝传热准则关联式,可以为冷凝式翅片板换热器的设计提供参考.      

镁基水反应金属燃料与水反应模型及数值分析

为研究宽广温度范围内镁基水金属燃料/水反应特性,在总结国内外研究成果的基础上,建立了包含镁/水和碳/水两个主要反应的镁基水反应金属燃料/水反应模型,其中镁/水反应在不同温度段分别采用动力学和扩散分段控制,镁/水扩散燃烧模型考虑部分氧化镁在镁液滴表面凝聚;碳/水反应为反应动力学控制,反应动力学模型依据阿仑尼乌斯公式。采用数值分析方法,研究了水燃比和镁含量对燃料/水和镁/水反应特性的影响规律。研究结果表明:燃料/水反应特性的计算结果与实验值相符;在保证一定燃料自持燃烧温度的基础上,提高镁含量,选择合适的水燃比,有利于提高燃料/水的反应特性,促进燃料/水反应快速、充分的进行。     

迭代动力缩聚法的收敛性分析

 利用Lyapunov矩阵方程和Riccati矩阵方程解的理论,对迭代动力缩聚法的收敛性进行了分析证明,并给出了迭代收敛的充分条件。揭示了动力缩聚法与经典的子空间迭代法的内在关系,阐明了各自的优缺点。迭代动力缩聚法实质上是子空间迭代法的变形,它需要人为选择主辅自由度,而子空间迭代法需要人为选定初始迭代向量。从理论上讲,只有主辅自由度选择满足收敛的充分条件要求,才能保证迭代结果收敛到理论上的精确解。给出了一个数值算例,对几种算法进行了对比,并验证了本文的论点。     

典型结构的层板发汗冷却推力室传热特性的推算方法

针对典型的层板发汗冷却结构,提出了利用一个推力室的实验数据来计算另一推力室所需发汗流强的方法。在一种发动机推力室壁面发汗冷却实验数据测出以后,对同一发动机或另一发动机推力室壁采用不同的冷却剂、不同的壁面材料时的受热壁面工作温度与发汗流强的关系,由迭代计算完成。作为分析实例,利用氦气发汗冷却的试验数据对氢气发汗冷却流强进行了计算,其结果得到了实验的验证。     

涡轮叶片多层结构热障涂层隔热效果分析

为了获得叶栅流场作用下涡轮叶片热障涂层隔热性能,建立了带多层结构热障涂层的高压涡轮导叶模型,采用热流耦合方法计算热障涂层系统温度场,对叶片不同部位的涂层隔热效果,以及厚度和主流进口温度对隔热效果的影响进行研究。结果表明:涂层实际隔热效果在叶片吸力面最好,在尾部最差,在压力面沿顺流方向渐好。虽然涂层表面温度不同,但涂层内部的温降幅度与涂层表面温度的相关性不大,在吸力面涂层内部的温度降幅斜率最大,在尾部最小。隔热面层厚度每增加0.1 mm使合金平均温度约降低30℃。涂层隔热效果对主流进口温度较敏感,主流进口温度的变化与基底合金温降指标变化呈线性关系。     

High-cycle fatigue behavior of Co-based superalloy 9CrCo at elevated temperatures

A modified model is developed to characterize and evaluate high-cycle fatigue behavior of Co-based superalloy 9CrCo at elevated temperatures by considering the stress ratio effect. The model is informed by the relationship surface between maximum nominal stress, stress ratio and fatigue life. New formulae are derived to deal with the test data for estimating the parameters of the proposed model. Fatigue tests are performed on Co-based superalloy 9Cr Co subjected to constant amplitude loading at four stress ratios of 1, 0.3, 0.5 and 0.9 in three environments of room temperature(i.e., about 25 °C) and elevated temperatures of 530 °C and 620 °C, and the interaction mechanisms between the elevated temperature and stress ratio are deduced and compared with each other from fractographic studies. Finally, the model is applied to experimental data, demonstrating the practical and effective use of the proposed model. It is shown that new model has good correlation with experimental results.