基于Lattice-Boltzmann方法的多孔介质真空绝热特性

作为真空绝热板的芯材,多孔介质微尺度空间形貌结构及物性参数对其绝热性能影响较大。为研究多孔介质真空下的导热性能,选择颗粒状、纤维状和泡沫状3种典型多孔介质材料,并基于Lattice-Boltzmann(LBM)提出了一种随机构造多孔介质物理模型的方法。模型中重要参数结合多孔介质电镜扫描图像处理获取。采用D3Q15LBM模型进行数值模拟,并分析了真空度及颗粒/纤维/泡孔等效直径对导热系数的影响规律。模拟与实验的对比结果揭示了多孔介质真空下的导热系数随真空度及多孔介质物性参数的变化规律。     

周向槽轴向位置影响机匣处理扩稳能力的机理

为了揭示周向槽机匣处理轴向位置影响压气机稳定性的流动机理,采用试验与数值方法研究了三种不同轴向位置对机匣处理扩稳能力的影响。试验与数值结果均表明机匣处理轴向位置不变时扩稳能力最强,轴向位置前移次之,轴向位置后移最弱,对应的试验综合裕度改进量分别为10.3%,7.82%及5.65%。通过详细分析压气机叶顶流场表明,周向槽机匣处理轴向位置后移使叶顶前缘区域没有受到到周向槽的作用,叶尖部分间隙泄漏流在叶顶前缘形成低速带并造成进口堵塞。轴向位置前移使叶顶后部区域没有受到周向槽的作用,在叶顶通道出口部分叶高范围内形成低速堵塞区,流通能力弱。轴向位置不变的机匣处理对应的叶顶通道流通能力最强,因此扩稳效果最好。     

纤维多孔介质介观尺度结构对其真空绝热性能的影响

纤维多孔介质在绝热材料领域的应用广受关注,真空工艺是提升材料绝热性能最为有效的方法。本文研究了真空条件下介观结构对纤维多孔介质的有效导热系数的影响,改进了已有纤维随机结构生成方法,运用D_3Q_(19)格子Boltzmann方法对其有效导热系数进行求解。改进的生成方法可明显改善纤维分布,穿插率可降低至3.1%。模拟结果与实验及理论数据具有良好的一致性。结果表明,在1～8μm的区间内,纤维直径越小,纤维多孔介质在真空下的绝热性能越好,对内部真空度的依赖性越低;纤维长度方向与传热方向越不一致,绝热性能越好;在方向角到达90°时,绝热性能最佳。研究工作对真空绝热板纤维芯材的结构设计及优化具有重要意义。     

热塑性复合材料构件的制备及其在航空航天领域的应用

热塑性复合材料作为轻质高强材料的杰出代表,已成为航空航天领域的首选材料之一。概述了热塑性复合材料常用的成型工艺。采用模具热压成型制备工艺,探索并成功制备了几种高性能碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)热塑性复合材料构件,为高性能CF/PEEK热塑性复合材料构件在航空航天领域的应用提供了基础。     

布置真空绝热板的冷藏集装箱内温度分布

为研究布置真空绝热板对冷藏集装箱内温度分布的影响,以20ft机械式冷藏集装箱为研究对象,建立箱内空气对流与换热的物理和数学模型。采用标准k-ε紊流模型,对稳态下的真空绝热板冷藏集装箱和聚氨酯冷藏集装箱内温度场分布情况进行模拟仿真。模拟结果表明:采用真空绝热板作为保温材料,冷藏集装箱箱内温度场分布状况明显优于聚氨酯冷藏集装箱,而且平均温度能够降低0.8K。最后,对20ft实体聚氨酯冷藏集装箱进行实验,仿真与实验结果能够较好吻合,验证了模型的准确性。     

介观尺度下纤维导热预测及实验研究

在材料内部气压低于100Pa时,玻璃纤维、陶瓷纤维等芯材与泡沫类、粉末类芯材相比,其导热系数最小。为了研究纤维导热性能的影响因素,基于随机参数原理构造纤维的内部结构,结合格子波尔兹曼方法(LatticeBoltzmann method,LBM)分析了纤维直径、纤维长度及孔隙率对于导热系数的影响。然后将模拟结果与实验结果进行对比,结论表明两者吻合性良好,证明本文所采用的方法可以有效地预测纤维导热系数。     

缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性的改善

以NASA Rotor 67为研究对象,采用非定常数值模拟方法,开展缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性改善的研究,并且揭示缝轴向偏转角的变化对其扩稳能力和扩稳机理的影响。结果表明,不同轴向偏转角的缝均提高了压气机的稳定裕度,但是均降低了压气机的峰值效率。反叶片角向缝获得的稳定裕度改进量和峰值效率改进量分别约为24.22%和-1.19%。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,缝的扩稳能力逐渐减弱,缝带来的峰值效率损失亦逐渐减少。流场分析表明,实壁机匣时,压气机的失速类型为叶顶堵塞形式的突尖型失速。通过感受叶片通道和叶顶吸/压力面的压差,反叶片角向缝对泄漏流进行抽吸和射流作用,一方面消除了泄漏流及其泄漏涡扩散带来的负面影响,另一方面激励了泄漏流,提高了泄漏流的速度,降低了泄漏流的总压损失,增强了叶片的做功能力。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,由于缝能够利用的叶顶载荷从两个减成一个,缝的抽吸和射流作用均减弱,泄漏流的速度降低,泄漏流的总压损失提高,叶片的做功能力减弱,这就导致缝的扩稳能力减弱。     

不同范围进口畸变对亚声轴流压气机的影响

借助于计算流体动力学商用软件NUMECA,通过使用10通道非定常数值模拟的方法,研究了不同范围的进口气流畸变对亚声速轴流压气机性能、稳定性和流场的影响。研究对象是西北工业大学单级轴流亚声压气机转子。不同范围的进口畸变是通过在进口径向段设置不同范围栏杆的方法产生的。结果表明:进口畸变不但降低了压气机转子的性能,而且使转子的稳定工作范围减少。畸变范围越大,上述现象越明显。通过详细分析内部流场表明:畸变后,由于部分通道叶顶间隙泄漏流溢流和附面层分离的影响,造成通道内严重的堵塞,进而诱发转子失速。畸变范围越大,影响也越大。      

角向倾斜缝处理机匣对压气机性能的影响

为了揭示角向缝、角向倾斜缝处理机匣对压气机性能及其流场的影响,采用试验与非定常数值模拟的方法针对一亚声轴流压气机进行了研究。结果表明,角向缝、角向倾斜缝处理机匣(前移)对应的综合裕度改进量分别为12.16%,39.60%;角向倾斜缝处理机匣的扩稳能力更强,且峰值等熵效率损失降低了约75%。通过详细地分析压气机叶顶流场表明,角向倾斜缝处理机匣能够将叶顶间隙泄漏流在膨胀扩散之前基本完全吸除,通道内几乎没有低速堵塞区出现,因而扩稳效果更好。同时从角向倾斜缝中喷射入叶顶前缘的气流径向分速较低,其与主流的相互作用较弱,故流动损失减小,等熵效率更高。     

高压液氧涡轮泵孔型/蜂窝阻尼密封的设计

针对某型火箭发动机高压液氧涡轮泵离心轮的前、后凸肩动密封,采用孔型/蜂窝阻尼密封代替原始迷宫密封方案,并对密封结构参数进行优化设计,旨在减小泵内动静间隙泄漏,提高泵容积效率。采用经水工质孔型密封泄漏量实验数据验证的,基于k-ε湍流模型和三维定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的液体孔型密封泄漏量数值计算方法,研究了孔深、孔径对液氧孔型阻尼密封、蜂窝阻尼密封泄漏特性的影响规律,并与迷宫密封的封严性能进行了比较。计算分析了孔径在0.3~2.0 mm范围内、孔深在0.1~2.0 mm范围内连续变化时孔型阻尼密封的泄漏量。结果表明:相同孔径和孔深下,孔型阻尼密封和蜂窝阻尼密封具有相近的封严性能,均优于迷宫密封;有限的密封轴向长度下,液氧孔型/蜂窝阻尼密封泄漏量随孔径的增大(轴向孔数目减小)先减小后增大,孔型/蜂窝阻尼密封最佳孔径为1.4 mm;不同孔径下,液氧孔型/蜂窝密封均存在最佳深径比0.5,泄漏量达到最小值;相比于原始迷宫密封方案,优化设计的孔型/蜂窝阻尼密封使液氧涡轮泵离心轮前、后凸肩动密封泄漏量分别减小了约19%和21%。