密闭空间内氢气和二氧化碳甲醇化系统的非均相模型及反应特性

在载人密闭空间内通过电解水方式为乘员供氧会产生副产物氢气（H₂）。此外,乘员还呼出二氧化碳（CO₂）。将H₂和CO₂催化合成甲醇（CH₃OH）是消除载人密闭空间内富余H₂和CO₂的最优方式之一。对其开展反应过程建模及反应特性研究有助于进行反应过程的控制,更好地维持载人密闭空间内的大气平衡。本文采用微元法建立了H₂和CO₂催化合成甲醇的物料计算模型和温度一维非均相模型,研究了不同反应压力、冷却介质温度以及入口反应气体中CO₂与CO比值等反应条件下的反应特性变化规律。结果显示,反应压力的增加、冷却介质的温升以及入口气体中CO₂与CO比值的减小均能促进各反应速率增加,进而使得H₂和CO₂消除量增加、甲醇合成率上升以及催化剂和反应气体最高温度上升。在保证反应速率增加且催化剂最高温度不超过合理反应温度区间的最大值573.15 K时需维持反应压力不大于8 MPa,冷却介质温度不高于538.15 K以及CO₂与CO比值不小于1。      

气相色谱法定量分析氧气中气体杂质方法研究

为寻找一种能够有效检测氧气中微量气体杂质的方法,采用配有氢火焰离子化检测器的气相色谱仪分析氧气中的微量气体杂质,研究了分析氧气中CO、CO₂及C₂H₂等气体杂质的操作参数,确定了氧气中微量气体杂质的分析方法,验证了该方法的可行性,该分析方法各组份分离效果良好,各种杂质组份定量精确度较高。     

基于TDLAS的气体检测技术研究

TDLAS技术由于其非接触性、高灵敏度、在线响应速度快等优点,而成为当前气体浓度在线检测技术的重要发展方向之一。确定分子吸收线型函数是应用该技术的前提条件,但是目前尚没有有效的方法在线测量分子吸收线型函数,以至严重影响了TDLAS技术的测量精度,限制了其应用范围。因此,通过吸收光谱理论和波长调制理论研究TDLAS技术中谐波特征参数与分子吸收线型函数的关系,推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式,利用谐波信号间的关系特征来消除背景信号、激光强度、调制系数等因素的影响,建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以CO₂分子和H₂O分子在6982cm^-1附近的谱线为例进行数值分析和实验研究,仿真和实验结果表明,根据算法测得的分子吸收光谐波信号谱与理论吸收光谱之间的相对误差不超过5%,进一步提高了TDLAS技术的测量精度,拓宽了其应用范围。     

中国民用航空器CO2减排潜力的区域划分

对中国进行科学的区域划分，是研究具有区域差异性与空间相关性航空器CO₂排放问题并提出差异化CO₂减排措施的重要基础。基于2007—2016年中国部分地区民用航空器运行数据，在构建CO₂减排潜力分类模型的基础上，通过Kruskal算法得到省域网络关系最小生成树；采用谱聚类算法，以“最大化区划优度”为目标，划分航空器CO₂减排潜力的不同区域。结果表明：最优区域划分为四分区，区划优度为0.35；航空器CO₂减排潜力高的区域主要分布于中国西南和中南地区，潜力低的区域主要分布于东北和华北地区；针对各区域CO₂减排特征，从民航局、机场和航空公司等不同主体提出了差异化的区域CO₂减排措施。     

液体火箭喷焰红外特性的数值仿真

用传输方程积分法计算液体火箭喷焰在光谱2~5?μm的红外特性,并考虑了经过海平面一定长度的水平路程后大气对液体火箭喷焰辐射的衰减作用.计算喷焰的形状为圆柱形,温度和组分的摩尔分数沿轴向和径向变化.计算中考虑气体组分H₂O,CO₂,CO的吸收与发射,喷焰内燃气的光谱透过率用SLG模型计算,大气的光谱透过率用LOWTRAN7.0计算.给出一台推力为1.125×10⁶N的液体火箭发动机喷焰表面以及经过海平面0.88?km水平路程大气衰减后的光谱辐射强度,经比较与参考文献给出的结果基本一致.     

释放不同化学物质对电离层扰动的比较

在电离层F区释放氢（H₂）、水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、六氟化硫（SF₆）、三氟溴甲烷（CF₃Br）、羰基镍（Ni（CO）₄）可以损耗局域等离子体电子密度,形成电子空洞,电离层电子密度的改变主要取决于释放物质的气态分子与电离层之间的离子化学反应.在电离层人工主动扰动实验中,应根据发射成本和扰动效果对释放物质进行选择.通过热力学原理和有限元模拟方法计算比较了上述6种物质对电离层的扰动影响.计算结果表明,6种物质中水的气化率最低,约为19%,其余5种物质都在60%以上,选择密度小的物质,例如H₂和CO₂,可以有效降低发射成本.另外,扩散较慢且化学反应较快的物质,例如SF₆和Ni（CO）₄,能够使得电离层电子密度减少得更多,并且受扰动区域更广、持续时间更长.     

基于光学天线的多光谱窄带热探测器及其应用

在回顾热探测器的工作原理、材料体系和典型应用的基础上,着重介绍了利用光学天线调控热探测器像元的光谱响应、实现多光谱窄带探测的技术路线。首次提出了将基于光学天线的多光谱窄带探测器用于非色散红外光谱法(NDIR)进行多种气体传感的应用场景,以摆脱对窄带滤光片的依赖;针对八种典型的危害性气体(H2S、CH4、CO2、CO、NO、CH2O、NO2、SO2)的特征吸收波长构建了多光谱窄带探测器阵列,并采用NDIR进行了单一气体检测,由实验测得的气体检测下限与商用NDIR气体传感器的检测下限相当;发展了从多个窄带探测器的输出信号组合反推混合气体中各组分浓度的数学模型,并进行了NDIR多组分混合气体实验验证。结合商业案例,分析了超构材料多光谱窄带探测技术在固体、液体、气体等形态的物质成分分析中的实用价值,展望了其在国防军事、工业化工、食品安全及污染检测等领域中的应用前景。     

红外分光光度法测定压缩气体中油含量的测量不确定度评定

以四氯化碳为吸收液采集压缩气体中的油类物质,用红外光度法测定油含量,依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》,评定了红外光度法测定压缩气体中油含量结果的不确定度。分析了影响不确定度的因素,对各不确定度分量进行了分析和计算,当压缩气体中油测量结果为5.52mg/m³时,扩展不确定度为0.68mg/m³。     

空间站乘员睡眠区二氧化碳聚集现象

为了分析乘员在没有良好通风的压力舱内停留时,呼出CO₂的聚集过程并评估其可能导致的医学危害,建立了乘员在特定空间站睡眠舱的计算流体动力学模型,对乘员在睡眠区的呼吸过程进行了非稳态模拟.模拟中乘员的CO₂呼出浓度和肺通气量根据生理实验随CO₂吸入浓度变化.通过模拟给出了睡眠区典型位置处CO₂分压随时间的变化规律.最后提出了无通风条件下乘员在睡眠区停留的最大容许时间,睡眠区CO₂浓度监测仪的布置原则和类似情况下为保障乘员生命安全可采取的一些措施.      

基于CO2测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO₂观测数据,分析CO₂浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO₂浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO₂浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO₂浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.      

CO2在RP5航空燃油中的质扩散系数测量

根据数字全息干涉度量原理搭建了气液质扩散系数测量实验平台,设计并加工了中空不锈钢恒温扩散槽,采用自编程序进行数字图像处理,通过测量298.15 K时0.33 mol/L KCl溶液在水中的质扩散系数验证了实验系统的正确性。实验测量了常压下278.15~343.15 K温度范围内CO₂在RP5航空燃油中的质扩散系数。随着温度的增加,CO₂在RP5航空燃油中的质扩散系数逐渐增大。不同温度下的质扩散系数可利用Arrhenius方程模型进行拟合,而且质扩散系数理论模型计算与实验测量结果之间的相对误差均小于9.51%。在实际工程应用中,可根据拟合的Arrhenius方程对CO₂在RP5航空燃油中的质扩散系数进行准确的预测,实验测量结果为燃油箱惰化系统的优化设计提供了数据支持。      

二甲醚部分氧化重整制氢热力学分析及实验

用元素势能法对二甲醚(DME)部分氧化重整制氢进行了热力学分析与计算,在定压绝热条件下计算了产物中各组分的体积分数随空醚比(0.5~4)和压强(0.1~0.5MPa)的变化关系.结果表明:H₂的体积分数随压强的增大而减小;在标准大气压和空醚比为3的条件下,由二甲醚部分氧化反应得到的氢气体积分数最大,约为35%;H₂的体积分数随空醚比的增大先增后减,CO的体积分数变化不明显,CO₂和CH₄的体积分数随空醚比的增大而减小.最后,在自制实验台上进行二甲醚等离子体重整制氢的实验,将该实验结果与热力学分析结果进行了对比分析,结果证明用元素势能法分析得到的H₂,CO,CH₄和CO₂的体积分数随空醚比的变化趋势与实验结果较为一致.      

多舱段载人航天器CO2去除系统性能仿真分析

多舱段载人航天器通常由主控舱段利用舱间通风对组合体空气环境参数进行集中控制.利用Ecosimpro建立了一种多舱段载人航天器CO₂去除系统性能仿真分析模型,包括舱体模块、乘员模块、CO₂净化模块、舱间通风模块,并对三舱段载人航天器CO₂去除系统性能进行了计算分析.结果表明,当净化装置进风量为0.007 2 kg/s,非主控舱段驻留人数达到6人时,会造成非主控舱段CO₂分压超出700 Pa的指标上限.此时增大舱间通风量对降低非主控舱段CO₂分压的效果并不明显,有效的控制方式是增大净化装置进风量.当净化装置进风量增加至0.011 3 kg/s时,非主控舱段CO₂分压可降至700 Pa以下.该工作有助于加快载人航天器空气环境控制系统的设计和改进流程.     

太赫兹火星大气临边探测仿真研究

对火星大气进行连续高分辨率观测是研究火星大气物理和化学过程的重要手段.太赫兹临边探测技术通过测量火星大气中的风和光化学循环中的重要气体（CO,O₃,H₂O,H₂O₂等）提高对火星的认知.针对火星大气遥感的探测需求,分析了300～1000GHz频段的频谱特征.针对探测卫星对于载荷质量、功耗等参数的要求,提出一个560GHz频段的火星大气太赫兹临边探测仪设计方案,并利用辐射传输模型ARTS中的行星工具箱进行仿真.仿真结果显示:火星大气温度的反演精度优于4K,其中45km高度以下优于2K;H₂O丰度的反演精度在90km以下优于50%,30km以下优于2%;H₂O₂的反演精度在40km以下优于50%;O₃的反演精度在50km以下优于60%;大气风速度的反演精度在65km以上优于5m·s-1,最高可以达到2m·s-1.研究结果表明,利用太赫兹波段的吸收谱线可以很好地探测火星大气中各成分的丰度、变化趋势以及中高层大气的风,可为后续火星表面及大气探测提供参考.      

火星大气模型参数对MSL气动特性的影响

火星大气与地球大气截然不同,飞行器在进入火星时气动特性不同于地球再入. 大气模型的差异主要表现为气体组份、密度和温度等物理参数. 针对火星进入器MSL在进入-下降-着陆过程中的高超声速进入段,利用三维并行程序求解耦合真实气体模型的流体动力学Navier-Stokes方程,分析MSL进入火星大气时大气模型参数对进入器气动特性的影响. 结果表明,通过与海盗号飞行数据的对比,验证了所采用的火星气体模型和计算方法,且其与NASA的 LAURA代码气动特性计算结果也较为一致;大气模型气体性质,即CO₂环境对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大,利用空气得到的计算和实验数据必须考虑CO₂效应;密度增大促进了化学非平衡效应,但对进入器气动特性基本没有影响;温度升高大大增强了化学非平衡效应,而对进入器气动特性影响较小.      

中国微藻航空煤油制备潜能及CO2减排

综合考虑中国各地温度变化、水资源和CO₂的供给能力等因素,分析了中国适合微拟球藻规模化养殖的地区;根据2013年沿海地区燃煤发电排放CO₂量,结合蓬莱地区微拟球藻规模化养殖的实际数据,预测了中国微藻的年产量潜力及在现有技术水平下利用这些微藻原料可制备航空煤油的潜力;并采用全生命周期模型GREET计算了微藻航空煤油相比传统石油基航空煤油在全生命周期内中可减少CO₂的排放量。结果表明:目前中国具有每年8894万t的微藻养殖潜力,这些微藻共可制备航空煤油1917万t;与传统航煤相比,制备1 t微藻航空煤油在全生命周期内相比传统航空煤油可降低CO₂排放2.28 t。     

基于TDLAS的气体检测技术研究

TDLAS技术由于其非接触性、高灵敏度、在线响应速度快等优点,而成为当前气体浓度在线检测技术的重要发展方向之一。确定分子吸收线型函数是应用该技术的前提条件,但是目前尚没有有效的方法在线测量分子吸收线型函数,以至严重影响了TDLAS技术的测量精度,限制了其应用范围。因此,通过吸收光谱理论和波长调制理论研究TDLAS技术中谐波特征参数与分子吸收线型函数的关系,推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式,利用谐波信号间的关系特征来消除背景信号、激光强度、调制系数等因素的影响,建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以CO2分子和H2O分子在6982cm-1附近的谱线为例进行数值分析和实验研究,仿真和实验结果表明,根据算法测得的分子吸收光谐波信号谱与理论吸收光谱之间的相对误差不超过5%,进一步提高了TDLAS技术的测量精度,拓宽了其应用范围。     

环境温度对汽油缸内直喷汽车排放的影响

选取2辆典型汽油缸内直喷汽车(GDIV),在环境舱内进行了不同环境温度下,车辆冷启动和热启动后按照全球轻型车统一测试循环(WLTC)运行时的排气污染物试验,测量并分析了GDIV排气中的气态污染物和颗粒物,旨在为GDIV排放系统设计、控制策略制定以及评价汽车排放对环境影响的相关研究提供理论依据。研究结果表明:环境温度对GDIV试验车辆冷启动和热启动的颗粒物数量(PN)和颗粒物质量(PM)排放因子影响显著。环境温度低于14℃,冷启动工况下行驶时PN排放难以满足国Ⅵ排放标准限值,总碳氢化合物(THC)和CO的排放因子受温度的影响显著,热启动时影响不明显。无论是热启动还是冷启动工况,当温度从-7℃逐步上升到40℃时,试验车辆的CO₂排放因子呈现先减少后增加的变化规律,2辆车在热启动时的CO₂排放因子比冷启动时平均降低4%和7%。冷启动和热启动时,氮氧化物(NO_x)排放因子受温度的影响均没有明显的规律。