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。     

适用于多迎角结冰试验的混合翼型设计

为突破结冰风洞对翼型模型尺寸的限制,提出了一种新的混合翼型设计方法,可使用一套混合翼型模拟原始翼型在不同迎角下的结冰试验,弥补了以往混合翼型只能在单个设计迎角下使用的缺陷。方法采用多段翼的形式设计混合翼型,以多目标迎角等结冰试验条件作为设计输入,优化设计主翼外形和襟翼的位置、偏转角度,利用襟翼位置和偏转角度的变化实现混合翼型和原始翼型前缘表面的压力系数在不同迎角下能够保持一致,继而保证前缘结冰外形的一致性。设计的混合翼型较原始翼型弦长减小接近40%,在冰风洞中对混合翼型和原始翼型在目标结冰条件下进行试验,对比结果显示,在选取的多个目标迎角下,混合翼型和原始翼型二维截面的结冰外形基本一致,提出的混合翼型设计方法能够有效的模拟原始翼型在不同迎角下的结冰外形。     

旋翼减摆自润滑衬套疲劳试验温度设计与控制

以高分子材料自润滑衬套为研究对象，其摩擦阻尼为旋翼摆振铰提供减摆阻尼，在直升机飞行时，摆振铰作周期摆振运动，产生大量的热，引起衬套温度升高，易造成摆振自润滑衬套阻尼值剧烈变化。通过建立旋翼支臂摆振铰自润滑衬套摩擦生热模型，计算了摆振铰摩擦总热流量，按摩擦副接触面最高温度相等假设计算热流量分配。对传热过程应用有限元稳态热进行求解，获得了直升机旋翼运转时摆振铰摩擦副的温度分布，再进行自润滑衬套疲劳耐久性试验装置水冷散热等同性分析，最终确定了试验装置控制温度参数，为旋翼摆振铰自润滑衬套疲劳耐久性考核试验设计和验证提供参数。     

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。     

Design of nanofluid-cooled heat sink using topology optimization

The paper presented topology optimization of 2D and 3D Nanofluid-Cooled Heat Sink (NCHS). The flow and heat transfer problem in the NCHS was treated as a single-phase nanofluid based convective heat transfer model. The temperature-dependent fluid properties were taken into account in the model due to the strong temperature-dependent features of nanofluids. An average temperature minimum problem was studied subject to the fluid area and energy dissipation constraints by using the density method. In the method, the design variable is updated according to the gradient information obtained by an adjoint based sensitivity analysis process. The effects of the energy dissipation constraint, temperature-dependent fluid properties and nanofluid characteristics on optimal configurations of NCHS were numerically investigated with following conclusions. Firstly, branched flow channels in the optimal configuration increased with the rise of the allowed energy dissipation. Secondly, temperature-dependent fluid properties were significant for obtaining the appropriate optimal results with best cooling performance. Thirdly, heat transfer performances of optimal configurations were enhanced by reducing the nanoparticle diameter or increasing the nanoparticle volume fraction. Fourthly, the optimal configuration for nanofluid had better cooling performance than that for its base fluid.     

海洋环境下G814/3233复合材料的老化机理及加速老化与自然老化的相关性

为探索航空用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的老化机理及实验室加速老化环境与真实服役环境间的相关性，以飞机常用的G814/3233复合材料为研究对象，以海洋环境为服役背景开展了实验室加速老化试验和随舰自然暴露试验，观测了老化前后CFRP试件的力学性能、微观结构、组织成分等；改进了传统的大样本统计方法，提出了确定自然老化方程的小子样方法，有效扩大了数据样本；提出了以纵横剪切强度保持率为基准的当量折算系数计算方法并开展了验证试验。结果表明：在加速老化1个月后，G814/3233复合材料的表面树脂及碳纤维/树脂界面遭到破坏，剩余强度、纵横剪切强度、玻璃化转变温度分别下降6.93%、7.30%、0.87%，室温条件下的储能模量升高约5 GPa；获得了该型CFRP在南海环境下的老化机理和纵横剪切强度中值曲线；确定了自然老化环境与加速老化环境之间的当量折算系数为7.25；所建立的实验室加速老化方法对自然老化方具有较好的加速性和重现性。     

高能合成煤油GN-1性能研究 --“液体火箭推进”专刊

结合火箭发动机工程应用环境，研究了GN-1煤油高温高压热物性、安全特性、传热结焦性能以及点火延迟性能，并和现役火箭煤油作了对比分析。采用商业仪器对GN-1煤油在最高200℃、最高压力25MPa范围内的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力进行了实验测量。在实验数据的基础上，依据基团贡献法、基于比容平移法则的P-R方程、摩擦理论、广义对应态原理分别对GN-1煤油在最高350℃、最高压力60MPa范围内的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力进行了理论计算，建立了GN-1煤油的密度方程、黏度方程、导热系数方程，并将方程的计算值与实验值进行了对比，计算偏差较小。对GN-1煤油和火箭煤油的安全性能进行对比研究，GN-1煤油的闪点为40℃，自燃温度为305℃，高于火箭煤油(225℃)；燃点为47℃，低于火箭煤油(82℃)，GN-1煤油的爆炸极限范围为0.44%-2.9%（40℃）。GN-1煤油和火箭煤油的急性经口毒性LD50＞5000mg/kg，均属于第五级化合物（实际无毒）。在入口压力10 MPa，流速10 m·s-1，内壁温480℃条件下，GN-1煤油的传热系数比火箭煤油提高14.4%，建立了传热准则方程。GN-1煤油出口油温220℃时试验段平均结焦速率是出口油温150℃时的4.43倍，GN-1煤油不锈钢材质管路中试验段平均结焦为高合管材质管路中的22.3%。在970K-1105K温度范围内，GN-1煤油的点火延迟时间为320μs-471μs，是火箭煤油的55.6%-69.3%。相关研究可对发动机可靠设计及应用提供重要参考。     

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。     

Laser-induced oxidation assisted micro milling of high aspect ratio microgroove on WC-Co cemented carbide

Severe tool wear and poor surface quality are the main problems during micro machining of cemented carbide. In this work, an innovative hybrid process of laser-induced oxidation assisted micro milling (LOMM) was proposed to solve the problems. A nanosecond laser was utilized to induce oxidation of the WC-20%Co material, producing loose oxide which was easy to remove. The micro machinability of the material was improved by laser-induced oxidation. The oxidation mechanisms of cemented carbide were studied. A microgroove with a depth of 2.5 mm and aspect ratio of 5 was fabricated successfully. The milling force, surface quality and tool wear mechanisms were investigated. For comparison, a microgroove was also fabricated with conventional micro milling (COMM) using identical milling parameters. Results revealed that in LOMM the milling force and tool wear rate were extremely low during removing the oxide. The machined surface quality and dimensional accuracy achieved by LOMM were superior to those obtained by COMM. The surface roughness S_a of the microgroove bottom reached 88 nm in LOMM, while the cross-sectional geometry of the microgroove was a trapezoid. Perpendicularity of the microgroove sidewall machined by LOMM was better than that by COMM. The tool wear forms in LOMM were coating spalling and slight tool nose breakage. Compared with COMM, the tool life in LOMM was prolonged significantly. It indicates that the proposed hybrid process is an effective and efficient way to fabricate high aspect ratio micro-features with high dimensional accuracy.     

高热流密度燃烧室壁面阵列空气射流-燃油组合冷却结构研究（爆震专刊）

针对高热流密度燃烧室壁面热防护需求提出了一种空气阵列射流冲击和燃油冷却肋板的集成冷却方式,在射流平均雷诺数(Re_j)为10000至30000、燃油进口流速(v_f)为2.33m/s至5.23m/s的范围内,采用数值模拟方法对其传热特性进行了研究,并基于壁面加热侧当量对流换热系数的概念,分析了基准肋板以及燃油冷却肋板的传热增强作用。与无肋板靶面的阵列射流冲击相比,带肋板阵列射流冲击的面积平均当量对流换热系数是前者的1.6倍,压力损失系数相对提高了约25%；采用燃油冷却肋板,加热壁面综合传热能力进一步增强,在Re_j=10000时,采用燃油冷却肋板的面积平均当量对流换热系数是基准肋板的1.5倍以上,即使在Re_j=30000时,燃油冷却肋板的传热增强比也可以达到1.2；燃油冷却肋板的出口温度相对进口温度的提升在20K~50K范围内,其提升幅度随着射流雷诺数或燃油进口流速的增大而减小。