二氧化碳在RP-3航空燃油中扩散系数实验

基于压力降落法原理,搭建扩散系数测试实验装置,测试了29815K时CO2在水中的扩散系数并与文献值比较,验证了实验系统的可靠性。实验测定了密闭容器中28315～33315K时CO2 RP 3燃油体系中的压力随时间的变化值。实验测量曲线与数值拟合曲线完全稳合,计算得出不同温度下气体在燃油中的扩散系数值为10-8m2/s数量级。由实验结果可知:气体扩散系数与温度之间符合化学反应阿伦尼乌斯定律,由此根据已有扩散系数值可建立CO2在RP 3燃油中扩散系数预测模型。采用25315、26315K和27315K时3组实验数据来验证模型的准确性,结果显示实验数据符合预测模型方程,模型具有一定的外延性。      

煤油燃料超燃发动机燃烧室温度测量与计算分析

为获得超燃冲压发动机燃烧室流场温度分布特性,深入分析发动机工作特性,对马赫数为2.0,总温为1100K,总压为1.0MPa的来流,利用可调谐的相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术完成了直连式燃烧室流场温度测量;同时对实验状态进行了三维并行数值模拟,对比分析了计算和实验结果的差异。结果表明,隔离段温度的实验测量值与计算结果的最大相对误差约为0.8%;在燃烧室核心流区域,当量比为0.6和0.8两个状态下,实验测量值分别比计算值偏低约40K和150K,相对差异为4.2%和13%;在凹槽回流区内,当量比为0.6和0.8时实验值则分别比计算值偏低约140K和170K,相对差异为11.7%和7.5%。主喷油位置喷入当量比为0.2的燃料对燃烧室区域的温度和压力分布会产生较大影响,但对扩张段及后部区域的推力性能不会产生显著的改变。      

燃气分析法在高温升全环燃烧室 出口温度场试验中的应用

为了给某型高温升全环燃烧室的出口温度分布改进优化提供技术支持,采用燃气分析法和热电偶法2种测量方法测量出口温度场。燃气分析法通过2支5点非混合式取样器随旋转机构旋转1 80°,采集燃烧室出口600点样气,测量CO_2和CO_2种组分的体积分数进而计算燃气温度。在油气比0.03状态下,燃气分析法与热电偶法测量的燃烧室出口温度分布基本一致,在油气比0.037状态下,燃气分析法测到的热点温度达到2285 K,经误差分析得出CO_2和燃料热值的测量偏差对燃气分析法的温度测量影响较大,采用的燃气分析法测温系统总误差在1%以内。研究结果表明:燃气分析法是1种具有较高测试精度、可靠的高温测试技术。     

黑索今连续干燥试验及其动力学研究

通过试验和数值计算对黑索金的连续干燥特性及其动力学特征进行了研究。采用一种最新研制的干燥机对初始含水量6%的黑索今进行了连续干燥脱水试验,并运用经验和半经验薄层干燥方程对试验数据进行拟合分析,计算得到黑索今干燥过程的干燥数学模型,在线跟踪监测干燥过程中的水分、静电和温度的分布,运用菲克扩散方程计算得到黑索今干燥过程的有效扩散系数。结果表明,黑索今干燥过程没有经历恒速干燥阶段,而是经过短暂的升速阶段后直接进入降速干燥阶段,最终产品水分含量均≤0.1%,满足工业生产使用的要求;试验选择Midilli-Kucuk模型作为黑索今干燥的最佳薄层干燥数学模型;干燥过程中的静电和温度的分布均满足安全操作要求;有效扩散系数达10-8数量级。     

超临界压力下乳化煤油比定压热容测量

为了准确测量高温高压下乳化煤油的比定压热容,基于能量守恒的量热计理论,搭建了一套流动型比定压热容在线测量系统。系统温度测量范围为301~900K,测量压力可达10MPa。通过去离子水和质量比1:1正辛烷-正庚烷混合物对测量系统进行标定,实验结果与文献值进行比较,最大相对误差小于±1%,相对误差绝对平均值在0.46%以内。在此基础上,对含水质量分数为10%,20%,30%,50%的四种乳化煤油比定压热容进行测量,温度为301~880K,压力为3MPa。实验结果与航空煤油RP-3进行对比,结果表明:相同工况下,乳化煤油比定压热容较大,吸热能力更强,冷却壁温效果更好。该系统的搭建为进一步研究乳化碳氢燃料比定压热容创造了条件。     

超临界压力正癸烷定压比热测量

为了准确测量高温高压条件下燃油的定压比热,基于定压比热与焓值的关系,提出一种适用于测量高温高压流体定压比热的方法并设计相应的实验装置,该方法可以显著地减小热损失测量误差对测量结果的影响,提高比热测量精度。经过误差分析,在常温至800K范围内,该方法具有最大3.7%的相对不确定度。利用该方法对正癸烷的定压比热(3MPa和5MPa,312~797K)进行了标定实验,实验结果表明,定压比热测量的平均偏差小于1.8%,拟临界点附近最大偏差7.6%,其它温度范围最大偏差不超过4.3%。对3MPa和5MPa下675~797K的正癸烷定压比热数据进行了补充。该方法同样适用于其它流体在该温度范围内的定压比热测量。     

基于BOS的过膨胀喷管出口密度测量

背景导向纹影(BOS)因其测试方法简单、测试区域宽、对流场无影响等特点,在超声速流场密度场的测量中有很好的应用前景。根据相关原理,搭建了BOS测试平台并对设计出口Ma=1.9处于严重过膨胀下的喷管出口密度场进行了测量。对实验获得的图像进行处理,获得了喷管出口区域内完整的定量密度场。运用计算流体力学对相同实验状态下喷管出口流场进行了精细的数值模拟。将其与实验结果进行了对比分析,发现实验结果与数值模拟所得的波系结构及激波强度都能够很好地吻合,特别在射流边界外的密度误差在1%以内。这证明了BOS技术能够在有复杂波系的超声速流场密度场测量中获得良好的结果,为超声速流场密度从传统的定性测量转变到定量测量提供了可靠的测试方法。     

定容燃烧弹实验系统及C7燃料火焰速度测量

设计并搭建了适用于测量高温、高压条件下层流火焰传播速度的定容燃烧弹实验系统。详细介绍了定容燃烧弹实验系统的主要子系统的构成和功能,并阐述实验数据处理方法。测量初始温度为400K、压力为0.1MPa和0.3MPa,C7燃料(甲苯、甲基环己烷、正庚烷)/空气层流火焰传播速度,并与现有文献结果进行了对比。结果表明:该定容燃烧弹实验系统具有较高的可靠性,不仅能够准确测量较高初始温度、不同初始压力条件下燃料/空气的层流火焰传播速度,而且能够拓宽测量火焰传播速度当量比的范围。      

椭圆型条件矩封闭模型在湍流扩散火焰中的应用

使用考虑分子扩散与湍流扩散的椭圆型CMC模型对钝体绕流扩散火焰进行了数值模拟计算,计算的工况包括CH₄/H₂、CO/H₂和CH₃OH等燃料在空气中的燃烧。在数值计算中使用了k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,并将计算结果与实验数据进行了对比,讨论了计算结果与实验数据之间偏差产生的原因,还分析了条件平均变量的空间变化。结果表明,条件平均温度、OH、CO和NO等组分的质量分数的计算结果与实验数据有着很好的一致性,说明椭圆型CMC模型是一种能有效地预测湍流非预混火焰中组分浓度和温度的计算方法。      

运动激波绕尖劈流动的研究

在激波管中进行双尖劈二维外形的激波绕流数值计算和实验研究,入射激波,Ｍ＝１．８,用激光全息双爆光技术定量测定各瞬时的密度场。计算采用欧拉方程和有限体积法进行离散并采用高精度的ＴＶＤ差分格式,计算与实验两者之间的比较,表明本文采用的计算方法对于解决尖点的绕流十分奏效,根据计算所获得的运动激波系,能够判断局部区域实验测量的密度场梯度方向,从而使密度场的定量测定获可靠度的结果。     

采用不同航空煤油反应机理模拟模型燃烧室两相燃烧流场

基于火焰面模型,采用两个不同的航空煤油化学反应机理(Kundu反应机理和亚琛反应机理),对模型燃烧室内三维两相燃烧流场进行了数值模拟,比较了两个反应机理燃烧流场计算结果的异同,并结合充分搅拌反应器模型进行了分析。通过与实验结果的比较,初步考察了两个反应机理模拟实际燃烧室燃烧流场的能力。结果表明:在给定工况条件下(工况1,马赫数0.160,来流温度537 K,总油气比0.004 8,常压;工况2,马赫数0.155,来流温度523 K,总油气比0.0100,常压),两个反应机理均能准确预测模型燃烧室的温度场和CO2排放量;亚琛反应机理在工况1时,可准确预测NO排放量,在工况2时,预测值高于实验值,而Kundu反应机理预测的NO排放量在两个工况下均与实验值差别较大。     

发动机舱内部传热和蒙皮的降温规律

建立了简化的发动机舱物理模型,对通风冷却和辐射遮挡的蒙皮降温效果进行了数值模拟和实验研究,并对发动机舱内部传热规律进行了分析.结果表明:数值计算得到的发动机舱蒙皮表面沿程分布与实验结果吻合良好.在加热壁面分段的热边界条件下,无辐射遮挡且无通风时蒙皮内侧表面接受的热流占热壁面加热热流的比值约为78%,当发动机舱通风速度达到1m/s时该比值降至20%;当通风速度从0m/s增大至3.5m/s时,发动机舱蒙皮峰值温度的降幅约为10%;无通风条件下有辐射遮挡的蒙皮峰值温度相对于无辐射遮挡的情形降幅约为6%;在通风冷却和辐射遮挡的综合作用下,蒙皮峰值温度相对于无通风且无辐射遮挡的基准状况可降低约50K,相对降幅约为14%.      

高超声速流场与结构温度场一体化计算方法

在对国内外流场与结构温度场一体化计算方法的不足进行细致讨论的基础上,提出了一种高超声速流场与结构温度场一体化计算方法.采用统一的积分方程组作为气动加热和结构传热物理过程的控制方程,对整个物理场进行统一的迎风格式有限体积方法离散,给出了流场与结构交界面上温度、温度梯度及导热系数等参数的计算方法.在时间推进方面,定常状态采用多步龙格库塔迭代格式,非定常状态则采用双时间步长方法.采用发展的一体化算法对二维圆管模型的气动加热和结构传热问题进行了数值模拟.结果表明:2s时驻点物面温度为390K,与其他文献的误差在3.1K范围内;稳定时驻点物面温度为647K.      

定位于材料基因组计划的镍基高温合金互扩散系数矩阵的高通量测定

寻找新一代镍基单晶高温合金中Re的替代元素以实现少Re甚至无Re化是当前高温合金领域的研究热点。从扩散系数角度出发寻找具有与Re相当或者更低扩散系数的元素是有效的研究策略之一。在多元合金中,互扩散系数矩阵可全面表征任一合金元素的扩散能力。因此,精确测定不同合金元素在镍基高温合金γ和γ'相中随成分和温度变化的互扩散系数矩阵是当务之急。首先,概述当前镍基高温合金互扩散系数矩阵测定的现状,以及用于多元合金互扩散系数测定的传统Matano-Kirkaldy方法和新型数值回归方法。由于传统Matano-Kirkaldy方法效率低,文献中鲜有镍基高温合金三元及更高组元体系互扩散系数矩阵的报道。本研究小组最近基于Fick第二定律和原子移动性概念发展起来的新型数值回归方法,可用于任意组元合金精准互扩散系数矩阵的高通量测定。随后以Ni-Al-Ta三元合金γ相为例详细阐述新型数值回归法用于合金互扩散系数矩阵高通量测定以及测定结果的可靠性验证过程。之后,简述本研究小组关于镍基高温合金γ和γ'相互扩散系数矩阵测定的最新进展。目前已经完成了核心三元合金体系Ni-Al-X(X=Rh,Ta,W,Re,Os和Ir)γ及γ'相互扩散系数矩阵的高通量测定,并对结果可靠性进行了细致的验证。通过对比不同元素在镍基高温合金中的互扩散系数,初步提出新一代镍基高温合金中Re的可能替代元素及合金成分设计的关键。最后,指出镍基高温合金互扩散系数矩阵测定的下一步工作和互扩散系数矩阵高通量测定的发展方向。     

数字全息在固体推进剂铝燃烧三维测量中的应用研究

为获得固体推进剂铝颗粒动态燃烧的精细化过程,将数字全息技术用于固体推进剂铝燃烧三维动态过程测量中,成功地解决了传统光学显微成像法景深过小的问题。搭建了固体推进剂铝燃烧数字全息测量系统,分别在0.1MPa和1.0MPa压强条件下开展了推进剂中铝颗粒燃烧过程的三维测量工作,获得了铝颗粒动态燃烧过程的全息图像。研究结果表明:数字全息技术能够获得不同截面处的颗粒信息,并可跟踪颗粒的动态燃烧过程,准确地获得颗粒粒径信息,真正实现三维动态测量;全息法能够清晰地分辨出动态燃烧过程中十几微米至几百微米量级的铝颗粒,测量误差小于8%;跟踪单一铝颗粒的动态燃烧过程,可获得颗粒粒径、空间分布、粒径分布、燃烧火焰区域、运动速度以及氧化帽的动态生成过程等变化规律。     

二氧化碳在RP-3航空燃油中溶解度实验测定

以国产实际使用并含有添加剂的RP-3号燃油为研究对象,测量了燃油在不同温度下的密度,搭建了压力降落法实验装置,测定了5~40℃温度及3组不同压力范围下,CO2在RP-3号燃油中的溶解度,采用ASTM D2780-92标准中提供的相对密度法对溶解度进行了计算并与实验值进行了比较.结果显示:计算值与实验值有很大偏差,且随着温度上升及压力下降,该偏差增加,最大相对偏差可达到106%.根据实验值,对ASTM D2780-92中的阿斯特瓦尔德系数计算公式进行了线性修正,修正后计算的溶解度和实验值误差在10%之内.该研究结果可为绿色惰化的设计提供参考依据.      

涂层材料瞬态传热实验与导热系数辨识

针对涂层-基体一体化的双层结构,为测试评估其中涂层材料的导热性能,提出基于瞬态平面热源法（transient plane source, TPS）的涂层材料导热系数反演辨识方法。根据Hot-Disk实验测试原理,建立基体-涂层-探头整体的二维非稳态传热模型;结合测量过程中的瞬时温升数据信息,采用粒子群优化算法反演辨识获得涂层材料的导热系数;并通过实验和数值模拟论证了上述方法的可靠性。结果表明：该测量方法能够有效获得涂层导热系数,测试反演的数值偏差小于4.0%。最后,实际测量和反演辨识获得了一种涂层材料常温至773 K的导热系数,随温度提高呈现增大趋势,数值范围为0.18～0.29 W/(m·K)。     

同轴数字全息用于铝燃烧颗粒的测量研究

为获得三维空间范围内固体推进剂铝颗粒动态燃烧的粒径信息,采用同轴数字全息技术对固体推进剂中铝动态燃烧颗粒粒径分布的测量进行了研究。在常温常压下,采用两种放大倍数（1.1倍和2.7倍）的成像系统对两种推进剂进行了全息测量,分别从两种推进剂铝燃烧颗粒的全息重建图像中提取了所有铝燃烧颗粒的粒径信息,采用Log-Normal多峰拟合方法获得了颗粒粒径分布的详细参数。实验结果表明：在颗粒重建全息图的基础上,采用插值方法极大地提高了颗粒粒径的测量精度,在10μm～200μm内,相对测量误差可降低至0.4%。该方法能够清晰获得10μm～900μm内所有铝燃烧颗粒粒径分布和平均粒径等信息,说明该方法适用于固体推进剂铝颗粒燃烧的精细化测量。     

同轴数字全息用于铝燃烧颗粒的测量研究

为获得三维空间范围内固体推进剂铝颗粒动态燃烧的粒径信息,采用同轴数字全息技术对固体推进剂中铝动态燃烧颗粒粒径分布的测量进行了研究。在常温常压下,采用两种放大倍数(1.1倍和2.7倍)的成像系统对两种推进剂进行了全息测量,分别从两种推进剂铝燃烧颗粒的全息重建图像中提取了所有铝燃烧颗粒的粒径信息,采用Log-Normal多峰拟合方法获得了颗粒粒径分布的详细参数。实验结果表明:在颗粒重建全息图的基础上,采用插值方法极大地提高了颗粒粒径的测量精度,在10μm～200μm内,相对测量误差可降低至0.4%。该方法能够清晰获得10μm～900μm内所有铝燃烧颗粒粒径分布和平均粒径等信息,说明该方法适用于固体推进剂铝颗粒燃烧的精细化测量。     

梯度磁场推进扩散火焰燃烧的实验研究

用数字粒子图像测速技术(DPIV)测量了扩散火焰周围气流在梯度磁场作用下的速度分布,并与无磁场作用下的速度分布比较。结果表明当梯度磁场作用于扩散火焰时,火焰周围气体运动被加速,火焰的形状变得尖锐,亮度增加。实验定量地验证了梯度磁场可以诱导气体对流的发生,从而进一步推进扩散火焰燃烧反应。