无人机用燃料电池阴极供气系统建模与控制

燃料电池因其高效、无污染、噪声小等特点，被认为是未来最具有潜力的无人机（UAV）用动力源，燃料电池阴极供气系统的控制技术是决定燃料电池系统性能和可靠性的关键。针对无人机用质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极供气系统，首先，考虑外界温度、压力、空气密度以及雷诺数等随高度变化的参数，建立了跨高度离心空压机模型并分析了其在不同高度下的工作特性，基于无刷直流电机反电势特征构建了高速空压机驱动电机模型。其次，通过计算燃料电池阴极氧气和氮气的动态分压获取了PEMFC电堆输出电压。设计了基于分数阶PI^λD^μ的过氧比和阴极气压控制方法，驱动电机采用有限集模型预测控制（MPC）实现快速的转矩响应，仿真结果表明设计的控制器可在无人机跨高度运行条件下实现过氧比的快速调节，同时维持阴极气压稳定，满足燃料电池阴极供气需求。     

径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响

为了研究径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响并对其进行准确预估，以径向圆孔液束的相对变形模型为基础，通过类比分析提出了矩形孔的相对变形理论模型，并考虑多喷注单元间相互影响和不同高宽比矩形孔的绕流侧边效应，首次建立了径向矩形孔的下漏率模型。通过试验及数值仿真对模型进行了验证分析，结果表明理论预估结果与数值仿真及试验结果吻合较好，也表明针对矩形孔建立的相对变形模型及下漏率模型具有较好的准确性。另外，研究表明矩形孔的下漏率除了与几何阻塞率、有效动量比及液膜厚度与液束孔宽度之比有关外，还与高宽比有关；3种不同高宽比情况下的下漏率均显著小于几何下漏率；同时下漏率随有效动量比增大而增大的趋势均较平缓。综合分析径向圆孔和3种不同高宽比矩形孔的结果发现，在径向孔横截面积及流量等工况参数完全相同的情况下，径向孔形状对下漏率有显著的影响，矩形孔的下漏率显著低于圆形孔的；矩形孔的高宽比越大，下漏率越大。实际应用中选择矩形孔更有利于控制下漏率，并可通过改变高宽比控制下漏率；同时在变工况过程中，矩形孔的下漏流量也会随着主路推进剂一起调节变化，保持下漏率变化不大，故具有较好的大范围变推力流量匹配特性。     

转盘轴承集聚效应分析及其对回转性能的影响

针对航天发射台转盘轴承工作时出现滚动体集聚导致摩擦力矩增大的问题，研究转盘轴承中滚动体之间间隙变化对集聚效应的影响。通过对典型工位处进行有限元分析，对比不同接触类型转盘轴承的滚道变形和滚动体接触作用力的分布规律。在确定滚动体与隔离块的几何关系后，进一步分析了滚道变形和滚动体接触作用力的时变性对滚动体间隙变化的影响，并将间隙变化和集聚效应建立了联系。有限元计算得到的发射台框架变形与实验测量数据一致，验证了有限元计算的可靠性。仿真结果显示，由于下滚道发生轴向变形，滚动体在运动过程中不断交替进行“爬坡”和“下坡”；滚道径向变形导致滚动体之间增大了较多的间隙；各滚动体的驱动摩擦力不断变化，运动状态具有时变性，当转盘轴承中间隙增加时，运动状态不断变化的滚动体导致增加的间隙出现累积，引起滚动体集聚。为消除滚动体集聚效应，探索其对摩擦力矩的影响，进行了对比实验。结果表明:集聚效应导致发射台的摩擦力矩增加，且变化剧烈。      

蜂窝状薄壁管拉伸时的内陷分析

蜂窝材料因具备广阔的结构设计空间,已广泛应用于航空航天等工业领域。探索蜂窝元胞的组织结构、组分性质与材料整体性能之间的关系有助于新型功能性材料的设计开发。本文从非平面Vertex模型的势能形式出发,结合蜂窝薄壁圆管拉伸时的轴对称特征,通过变分法得到了圆管拉伸时母线满足的控制方程,揭示了边界效应是蜂窝状薄壁圆管受拉时产生内陷的原因,并结合母线控制方程的若干特解,考察了非平面Vertex模型势能形式中包含的材料性质参数与圆管拉伸后内陷程度及范围的关系。研究还指出,蜂窝材料的材料性质包含在非平面Vertex模型的势能形式中,为蜂窝状材料整体性能的研究提供了一种新的思路。     

S弯收扩喷管流动特性数值研究

为了研究S弯收扩喷管的流动机理，数值模拟了不同喷管落压比（NPR）和S形收敛管道出口面积比（A₇₂/A₈）对S弯收扩喷管内流动的影响。结果表明：当S弯收扩喷管处于高度过膨胀状态时，随着NPR升高，非对称分离逐渐转变为对称分离，λ型激波转变为马赫盘结构，气动性能下降，推力矢量角减小；随着NPR继续上升，激波从喷管内移动到喷管出口边缘，并逐渐转变为膨胀波，气动性能上升，推力矢量角减小至0°后保持不变。在完全遮挡高温部件的低可探测准则的约束下，出口面积比A₇₂/A₈的变化主要对S弯收扩喷管收敛段的流动特性产生显著影响，体现在S弯收扩喷管内的局部加速及二次流分布。S弯收扩喷管的气动性能随着A₇₂/A₈增大而提高，但当A₇₂/A₈增大至1.8时，第一弯管道出口上壁面发生流动分离，气动性能显著下降。     

环境规制对技术创新的影响研究

本文选取了我国2005—2017年30个省份的面板数据,运用Sys-GMM估计法测度了环境规制强度及其异质性对技术创新的影响效应。结果表明:环境规制强度对技术创新有着先促进后抑制的作用;异质性方面,命令控制型、市场激励型、公众参与型环境规制对技术创新的影响也都具有先促进后抑制的作用,公众参与型规制对技术创新的促进作用最明显,市场激励型次之,命令控制型最弱。此外,本文通过构建门槛模型,研究发现环境规制对技术创新的影响具有门槛效应。     

航空发动机离心式喷嘴宏观喷雾特性

为探究航空发动机离心式喷嘴的喷雾宏观特性，通过将该喷嘴在高温高压定容弹中进行喷雾过程的实验，并结合阴影法与纹影法进行光学测量。首先以水作为射流工质，观察不同喷射压力下水进入大气环境中的雾化角变化，发现喷嘴结构对雾化角有着重要影响，最大雾化角与喷嘴出口的导流结构夹角相等。其次以正癸烷作为工质，通过不同环境压力和温度下的多组实验测量其它喷雾宏观特性如液膜破碎长度，结果表明在背压大于1.75MPa的工况下，该离心式喷嘴无法形成清晰稳定的锥形喷雾结构，此外还揭示了高背压加强了气动力而高环境温度减小了表面张力和粘性力，两者都起着促进雾化的作用。     

阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响

采用电化学阳极氧化技术在含NH4F的乙二醇电解液中对TiAl合金进行阳极氧化处理。研究阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响。结果表明:由于“卤素效应”,阳极氧化处理的TiAl合金经高温氧化后表面形成致密、连续的Al₂O₃氧化膜,有效阻止了氧的内扩散,进而显著提高合金的抗高温氧化性能。经1000℃氧化100 h后,阳极氧化试样增重由未经阳极氧化处理试样的85.86 mg/cm²降至0.67 mg/cm²。另一方面,阳极氧化TiAl合金表面硬度和弹性模量随高温氧化时间延长呈先降低后升高的趋势。阳极氧化TiAl合金在高温服役后,合金的摩擦系数较未经阳极氧化处理试样上升,但表面耐磨性先降低后升高。这是由于TiAl合金经阳极氧化后,表面形成了一层富铝含氟氧化膜,由于氧化膜中F元素在高温氧化过程中与Ti、Al结合形成卤化物,卤化物蒸气选择性扩散在原始氧化膜处形成致密的Al₂O₃保护膜。阳极氧化对TiAl合金力学性能的影响主要是由于氧化膜中Al₂O₃的含量变化所致。     

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性实验

针对加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了隔热屏壁面的温度分布,分析了隔热屏板型、吹风比、开孔率等参数对气膜冷却效率的影响。实验中板型选取了平板和纵向波纹隔热屏,吹风比变化范围是0.5~3.0,开孔率变化范围是1.4%~3.7%。结果表明:相比于平板隔热屏的气膜冷却效率沿程逐渐增加,纵向波纹隔热屏的气膜冷却效率随波纹板的起伏而起伏且大于平板隔热屏;随着吹风比的增加气膜冷却效率逐渐加大,在吹风比为3.0时达到最大值;气膜冷却效率在波峰处低,波谷处高,整体上随波纹板的起伏而波动,吹风比越小,气膜冷却效率随波纹板的起伏变化越明显;高吹风比(吹风比为2.0~3.0)下,气膜冷却效率沿程变化与增幅较为缓慢;整体上,随着开孔率的增加气膜冷却效率逐渐加大,小开孔率(开孔率为1.4%、2.7%)下的气膜冷却效率相差不大,但在次流背风侧,开孔率小的气膜冷却效率要小于开孔率大的气膜冷却效率。      

带CDFS的核心机过渡态数值模拟方法研究

针对带核心驱动风扇级(CDFS)的核心机过渡态数值模拟获得的CDFS加、减速工作线趋势与试验结果不一致的问题,进行了原因解析和模型改进。通过分析影响CDFS加、减速工作线的主要因素,发现引起该问题的原因,是外涵放气系统节流位置随核心机状态改变,容腔容积偏离了物理容积。在分析容腔效应原理的基础上,提出以虚拟容积代替物理容积计算CDFS工作线的方法,并对模型进行了改进。改进后的模拟结果表明:采用虚拟容积计算的CDFS加、减速工作线趋势与试验结果一致,可满足带CDFS的核心机过渡态数值模拟要求。