双螺杆固液混合燃料输送系统设计与实验研究

固液燃料混合推进是航天推进系统的重要环节,液体发动机燃料热熵低,为了提高火箭或导弹的续航能力,结合固体粉末燃料热熵高的特点,采取了固液混合燃烧的策略,进而提高发动机燃料的热熵,增加发动机的续航里程。本文根据齿轮啮合原理,对关键结构双螺杆齿形展开修形设计,建立了流道三维模型和仿真模型;在齿形设计的基础上,围绕固液混合均匀、变比例输送开展固液混输系统集成设计,完成整机的加工、装配、调试,搭建实验平台,建立液压测试系统,开展实验。结果表明,设计的两相流泵实现了固液两相物料的混合输送,实现了固液燃料变流量、变比例、变出口压力的均匀混合效果。该小型燃料泵能够实现出口流量30 ~ 600L/h、出口压力0 ~ 900kPa、固液混合比例0% ~ 10%的固液混输,且混输效果良好,研究结构可供设计变推力火箭发动机参考。     

微流体动力学研究发展与现状

在分析微流体流动特性基础上,介绍了微流体动力学研究的发展与现状,包括临界雷诺数、固液界面速度滑移、微流体热传导特性等基本问题的研究结果。     

凝固界面形态对一种镍基单晶高温合金组织和性能的影响

 以平界面凝固的一种镍基单晶高温合金组织不含有γ/γ′共晶;而以脆状、粗枝以及细枝界面凝固组织中,γ/γ′含量渐次增多。随着凝固界面形态的转变,γ′尺寸越来越小,形状越来越规则。细枝界面凝固的单晶具有最高的持久寿命,粗枝次之,而脆状界面凝固的单晶具有最短的持久寿命。     

基于固液相变燃料的冲压发动机

提出了一种固液相变冲压发动机概念,即在常温下存放时燃料为固体状态,工作时通过微波驱动相变为液体,该发动机改善了液体冲压发动机的某些缺点。文中阐述了固液相变发动机原理,建立了固液相变燃料概念,提出了该类发动机评价体系指标,同时对该类发动机设计技术、相变驱动技术、相变燃料特性以及可能的应用领域进行了阐述和分析,对采用双下侧进气道的原理样机进行了地面模拟条件试验。以直链烷烃为主的相变燃料存放安全、成本低、不怕玻璃化,适合极低温环境存放和使用。     

固液火箭冲压发动机内两相反应流场数值计算

为了计算固液混合式火箭冲压发动机补燃室内的三维反应流场，用块隐式法求解气相Navier-Stokes方程组，用连续介质模型和k-ε-Ap模型计算颗粒相的湍流流动与蒸发过程，用修正的k-ε-g模型描述燃料的燃烧。为了分析发动机设计参数对反应流场的影响，用不同的条件进行计算，并由此分析了补燃室几何结构和液体燃料切始颗粒直径对燃烧效率的影响。算例表明，计算方法有效可行。数值结果能够反映流场结构、液体燃料的蒸发和两种燃料的燃烧过程。     

固液动力探空火箭箭载数据采集系统设计

针对固液动力探空火箭在进行测试、飞行试验时,需要实时测量并记录推力、燃料供给速率以及吹除系统工况信息的问题,设计并工程实现了对箭载重要设备输出信号进行监控和采集记录的数据采集系统.以STM32F103RB微控制器为核心,完成了数据采集、存储、传输等电路的设计,并在Real View MDK集成开发环境下,运用C语言完成了控制、测试程序的编写.最后,通过Real View ULINKR仿真器实现了软硬件的联合测试,验证了系统的供电控制、采样频率、工况记录等功能都满足设计要求,完成了对箭载重要设备监控和采集记录的任务.只需修改微控制器内的操控程序,就可将此数据采集系统应用于不同型号的固液动力探空火箭.      

熔盐泵盐析两相流冷态模型试验和数值研究

为了揭示熔盐泵内盐析两相流动的规律,采用白金汉定理,建立了熔盐泵输送固液两相流的相似准则,根据所设计的熔盐泵模型试验方案,对熔盐泵内部流动进行了数值模拟,采用高速摄像技术捕捉了泵内的盐析两相流动,阐述了试验结果与模拟结果之间的差别。研究了颗粒直径和密度对熔盐泵外特性和内部流动的影响。结果表明:数值模拟结果和试验结果之间的误差小于10%。叶轮流道出口处颗粒的绝对速度从叶片的压力面到吸力面逐渐减小。分析得到了叶轮内固相和液相的速度三角形之间的关系,当颗粒的密度大于液相的密度时,颗粒绝对速度沿圆周方向的分量小于液相。进一步分析得到了叶轮出口处密度分别为2000、2250、2500、2750、3000kg/m3的颗粒的运动速度三角形之间的关系,颗粒密度越大,叶轮出口绝对速度沿圆周方向的分量越小,泵的扬程越小。      

磁流体角速度传感器的固液接触电阻特性研究

针对基于磁流体动力学(MHD)的角速度传感器中源级输出电阻波动的抑制问题，主要分析了MHD角速度传感器金属电极与镓合金的接触电阻特性，以及随着应力改变和接触面粗糙度的变化规律。通过理论推导建立了传感器中固-液接触电阻的理论模型，并据此使用COMSOL仿真了不同接触应力下接触电阻的变化情况；使用接触角测量仪分析了电极粗糙度对接触电阻的影响，电极材料为铝或铁时，粗糙度由1.6增加到3.2时，接触角增加4°~10°。仿真表明，MHD角速度传感器的接触电阻随着接触应力的增加而减小，在1kPa应力变化范围内，固-液接触电阻急剧变化。接触角测试表明，随着粗糙度的增加，接触角增加，浸润性变差。     

固冲发动机补燃室氧化铝凝固过程研究

基于经典形核理论,研究了氧化铝液滴冷却凝固过程中液滴温度以及固相体积分数等参数的变化,计算了不同条件下液滴形核、再辉等阶段的凝固速率。在此基础上,对固体火箭冲压发动机补燃室内的氧化铝凝固过程进行了分析。研究表明:液滴初始粒径和环境温度对凝固速率影响很大,环境温度越高,液滴凝固越慢。在补燃室环境中,氧化铝所处的区域不同,其形态也不尽相同。在补燃室头部掺混区,氧化铝主要是以液态或固液混合态存在,固相体积分数较小;在低温区域,氧化铝主要是以固态或固液混合态存在,固相体积分数较大。     

磁搅拌对铝铜合金MIG焊缝形状、组织及性能影响

研究电磁搅拌对2219铝铜合金脉冲MIG焊焊缝形状、组织及性能的影响.实验结果表明,电磁搅拌使MIG焊缝由指状熔深变为椭圆形熔深,改善焊缝成形.电磁搅拌通过增加焊缝中非均质形核核心,降低固液前沿液相的温度梯度,促进粗大柱状晶和枝晶转变为细小等轴晶,提高焊缝金属的强度和塑性.     

Al－Cu合金快冷的组织形貌

采用自制超声气体雾化快速凝固制粉装置对Ａｌ－４．５％Ｃｕ（ｗｔ）合金进行了研究,探讨了冷却速度与合金组织形貌间的关系,研究了冷却速度对合金凝固过程及溶质分配的控制机制,得到了平直凝固界面失稳的临界冷却速度Ｔｃ,并用显微组织相似定律对实验结果进了比较。     

细化元素对Al-5.0Cu-0.8Mn合金二次枝晶间距的影响

 本文研究了冷却速度和钛、硼、钒、锆对Al-5.0Cu-0.8Mn合金晶粒尺寸和二次枝晶间距的影响。提高冷却速度减小了二次枝晶间距,在相同冷却条件下,加入钛、硼、钒、锆等细化元素后,由于其对枝晶生长的抑制作用,缩小了液固界面前沿的溶质富集区,明显地细化晶粒尺寸和二次枝晶间距;而且,降低了合金的二次枝品间距对冷却速度的敏感性。     

变质铝硅共晶生长

 本文对锶变质铝硅共晶生长过程进行了讨论,变质铝硅共晶固液界面处,溶质扩散过冷和曲率过冷仅是固液界面总过冷的一小部分,界面总过冷受生长速度的影响十分显著。可以认为生长过程中共晶固液界面处于偏离平衡的某一定态,这一定态同生长速度和温度梯度密切相关。     

真空条件下液滴闪蒸的非均温建模与分析

为深入揭示液滴在真空环境下的闪蒸机理,建立了真空闪蒸全过程、非均温的传热传质数学模型,获得了各时刻液滴温度场及半径,并能够追踪结冰阶段的相变界面位置.通过开展液滴闪蒸的实验研究,观察了相变前后液滴的形态变化,并对数值模型进行了验证.基于数学模型,研究了液滴初始半径、初始温度、真空舱压力和结冰过冷度对闪蒸过程的影响规律.结果表明:真空舱压力是影响闪蒸过程的主要因素,且会影响最终平衡温度;初始半径主要影响预冷和冻结时间,而初始温度和结冰过冷度主要只影响预冷时间.      

底部封闭竖直细管内纳米流体的沸腾特性和临界热通量

以水-氧化铜纳米颗粒组成的纳米流体为工质, 对底部封闭细小圆管内的沸腾特性以及临界热通量进行了实验研究.结果表明:沸腾时管内纳米流体的浓度不随加热时间长短而改变, 沸腾液体的纳米颗粒除微量吸附在管壁外, 其余全部被蒸汽携带走, 同时吸附层厚度到了一定程度就不再变化.相对于纯水而言, 随着纳米浓度的增加, 纳米流体的沸腾特性有所劣化, 这主要是因为纳米颗粒吸附在管壁上, 减小了壁面粗糙度, 从而减小了液体和壁面的接触角.随着纳米浓度的增加, 纳米流体的临界热通量也随之增加.纳米流体的临界热通量不仅与管长与管径比有关, 而且还与纳米浓度有关.      

Primary Solidification Phase and Lamellar Orientation in Directionally Solidified Ti-45Al-7Nb Alloy

Primary solidification phase and lamellar orientation are investigated in Ti-45Al-7Nb alloy at very high ratio of temperature gradient to growth rate (G/v) by a liquid-metal-cooled directionally solidified method. It shows that Ti-45Al-7Nb alloy solidifies with primary α phase. Longitudinal (parallel to growth direction) microstructure shows that α dendrites in solid-liquid mushy zone are discontinuous and transverse microstructure of α dendrites is worm-like feature. Growth direction of α phase is about 80° away from〈0001〉α direction, and close to〈1120〉α direction. The corresponding lamellar orientation is aligned at the angle of about 10° to growth direction, which is consistent with α-dendrite growth direction according to Blackburn orientation relationship. Therefore, due to the altered growth direction of α phase, the lamellar orientation in Ti-45Al-7Nb alloy is controlled at the G/v ratio of 5×109 K·sm-2.     

不同叶尖间隙下的涡轮转子出口 三维流场测量

采用圆锥四孔高频压力探针测量了某涡轮不同叶尖间隙下转子出口的三维时均流场.结果表明转子出口参数均呈现明显的周期特性.叶尖间隙对转子出口流动品质有较大影响;间隙大时,泄漏流显著,对应的机匣二次流动较弱;间隙小时,机匣附近的二次流动较强.泄漏流区域的速度低,对应的相对总压小,损失大;泄漏流导致气流亏转,对应的静压高,膨胀程度小于主流,增大间隙,膨胀比变小,涡轮做功能力下降.      

喷流-外流干扰流场数值模拟

 研究了一种适用于推力矢量的内外流干扰复杂流场的数值模拟方法。主要讨论了能灵活处理复杂外形的重叠-搭接网格技术;适于低速大迎角流动及重叠 搭接网格技术的湍流模型以及是否考虑内流的喷流边界条件的定义。在数值模拟方法研究基础上对矢量推力飞机喷流-外流干扰流场进行了分析研究。包括计及喷管内流的内外流干扰流场数值模拟;给定喷管出口边界条件的喷流-外流干扰流场数值模拟;复杂外形引入喷流边界的数值模拟。以上计算反映了喷流对不同外流情况时的流扬的影响和气动力的影响。数值模拟说明,采用重叠-搭接混合网格处理复杂外形,使用恰当的湍流模型可以较好地模拟喷流-外流的干扰流场。     

附面层抽吸对高负荷压气机叶栅流场的影响

在低速条件下,对不同吸气位置和吸气量的高负荷吸附压气机叶栅流场进行了实验研究,分析了吸气位置和吸气量对高负荷压气机叶栅流场的影响。结果表明,吸气位置和吸气量对高负荷吸气压气机叶栅流场影响显著,且在小吸气量下流场就有明显改善;附面层抽吸有效减小了积聚在吸力面角区的低能流体,流动分离被抑制,总损失下降明显,且抽吸对叶栅流场的影响随吸气量的增加而逐渐增大;在吸力面后部流动充分发展区域,采用附面层抽吸对抑制流动分离具有更好的效果。     

中心进气转静盘腔的流量分配特性试验

采用实验方法, 对具有中心进气、两个出口的盘腔系统的流动特性进行了研究.获得了静盘与转盘间隙以及转盘外缘小孔的冷气流量.结果表明:盘面出流孔的流量随总流量或转速的增加而增加, 该流量与总流量的流量比随总流量的增加而降低, 随着转速增加而增加.盘面出流孔数量为原出流孔数量的一半时, 流出流量也近似是原流出流量的一半.