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。     

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。     

跨声速风扇转子叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对跨声速风扇转子气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了跨声速风扇转子NASA Rotor 67附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析不同叶顶间隙时风扇转子失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理。研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在小间隙、设计间隙和大间隙情况下分别使风扇转子失速裕度提高32%,33.6%和70.6%。小间隙时,转子叶尖泄漏涡和叶片吸力面附面层分离是影响风扇转子失稳的关键因素,设计间隙和大间隙时,叶尖泄漏涡导致的大面积阻塞区是影响风扇转子失稳的关键。三种不同叶顶间隙情况下,压力面小翼的扩稳机制均在于有效降低了转子叶尖泄漏涡强度,减弱了叶尖泄漏涡导致的低轴向速度区流体的阻塞程度。     

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。     

可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的影响

可控转速机匣是一种新型的机匣处理方法，将机匣设计为可转动环段与固定环段两个部分，可转动环段会对转子叶顶区域的气流施加周向附加作用力并改变叶顶区域的周向压力梯度，进而对压气机级的稳定工作裕度产生影响。针对可转动环段在不同转动方向下的数值研究结果表明：当可控转速机匣与转子转动方向相反时，叶顶区域周向压力梯度的增大，加剧了转子的叶顶泄漏程度，泄漏涡及其破碎后气流的流动轨迹向相邻叶片压力面偏移，导致静子进口冲角逐渐减小至负冲角，压气机级失速提前。而当可控转速机匣与转子转动方向相同时，叶顶区域的周向压力梯度减少，降低了叶顶泄漏流动的原始驱动力，同时转子叶顶区域的泄漏涡及破碎后气流的流动轨迹远离相邻叶片压力面，通流能力增强。但静子进口冲角的增加使得静子吸力面分离加剧，限制了其扩稳能力的进一步提高，压气机级的稳定工作裕度最大可提升45.44%。     

高温下阻气膜对真空绝热板使用寿命的影响

为进一步提高真空绝热板保温隔热性能、延长使用寿命、完善制作工艺,在介绍真空绝热板基本构成的基础上,对其使用寿命进行了界定;从隔气结构出发提出影响真空绝热板使用寿命的理论依据,建立了相应的数学模型,并通过高温老化实验进行验证。实验结果与理论分析基本拟合,结果表明真空绝热板在高温环境(50/70℃)中应用会加快其阻气膜的老化速度。     

人字形微沟槽控制低雷诺数下高亚声速压气机叶型损失研究

为研究人字形微沟槽对高亚声速压气机叶型损失的影响，以高负荷扩压叶栅为研究对象，在低雷诺数(Re)条件下对具有不同几何参数的微沟槽方案进行数值研究。计算结果表明，人字形微沟槽可以在一定范围的低雷诺数下有效降低叶片的叶型损失，提高叶片的扩压能力。人字形微沟槽深度和间距对叶型性能的影响主要体现在Re≥2.5×10⁵时，特定几何的微沟槽方案在增加气流折转角的同时可使叶型损失最大降低8.73%。变进气角特性表明在不大于设计进气角工况下微沟槽具有较为明显的降低叶型损失的效果。人字形微沟槽降低叶型损失的机理在于其使得叶片近壁面湍流掺混程度增加，有效延缓了吸力面边界层的层流分离。     

可控转速机匣转速对跨声速压气机转子流动稳定性的影响

可控转速机匣是一种通过控制机匣结构中的可转动环段旋转对叶顶间隙流场施加作用的机匣处理方式,可以一定程度上改善机匣处理中存在的效率下降以及难以完全适应变工况条件的难题。针对起始于动叶叶顶前缘、宽度为叶顶轴向弦长的可转动环段,对设计转速下的跨声速压气机转子流动稳定性的数值研究结果显示,随着可转动环段转速的增加,转子的稳定工作裕度逐渐提高,扩稳效果先弱后强,当可转动环段转速为转子设计转速时,在保证最高效率基本不变的情况下,稳定工作裕度提高了52.56%。可控转速机匣在较低转速时主要是通过减小叶顶的堵塞区实现扩稳,而高转速时则主要是通过抑制叶顶泄漏涡的破碎推迟失稳,不同转速下稳定工作裕度均有不同程度提升。     

燃料掺氢对船用天然气发动机燃烧和排放的影响

为研究船用天然气发动机气体燃料中掺入不同比例氢气对燃烧和排放的影响。运用改装的氢气-天然气-柴油三燃料混烧发动机进行台架实验,测试对比负荷特性下掺氢比为0%、5%、10%、15%四个工况发动机排放物中CO、CO2、NO、NOx、烟温等数据,然后针对掺氢比分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%的六个工况,运用CHEMKIN-PRO模拟计算点火延迟时间和层流火焰速度。结果显示,随着氢气比例增加,缸内燃烧点火延迟时间缩短,缸内最高温度升高,层流火焰速度增快,掺氢比对NOx排放影响不明显,相同输出功率下掺氢比高的工况CO排放更低,燃料掺氢工况CO2排放低于纯天然气工况。研究认为,燃料掺氢有助于改善船用LNG动力发动机的燃烧和排放,具有较大的研究和应用前景。