等离子体强化燃烧的目前研究进展

介绍了等离子体强化燃烧的基本原理,总结了等离子体强化燃烧的3种途径,分别是热强化、动力学强化与输运强化;对国际上,特别是国内在等离子体强化燃烧的应用验证、作用机制和数值仿真研究方面的最新代表性成果进行了综述.提出了等离子体强化燃烧的4个研究方向,分别是等离子体强化燃烧机理、多场耦合建模与仿真、测试诊断研究,以及等离子体强化燃烧在航空发动机中应用的其他科学与技术问题,同时提出了开展这4方面研究工作的一些建议,主要是定量研究等离子体点火与助燃的3种效应,分别建立各效应与点火特性、助燃特性之间的关系;建立等离子体强化燃烧的详细动力学模型;应用先进的测试诊断设备,发展等离子体强化燃烧的新型测试技术;考虑等离子体点火与助燃应用到不同类型发动机燃烧室时的匹配问题,特别是等离子体电源的小型化与轻型化问题等.      

基于等离子体炬的磁流体动力学实验系统

针对磁流体动力学技术在高超声速飞行器、海洋波浪能、核能和太阳能等领域的应用需求开展磁流体动力学地面实验系统建设,详细介绍了基于等离子体炬的磁流体动力学实验系统的基本组成、设计思路和测试情况。研制了马赫数Ma=1.5的超声速喷管和磁流体试验段,在等离子体炬功率120 kW时测试通道内电导率最高达14 S/m,平均电导率约9 S/m,通过理论计算可知在电导率为9 S/m的情况下,一对测试电极的输出功率可达1 872.96 W,测试试验段整体输出功率达5 993.47 W。该地面实验系统可用于磁流体发电、磁流体加速、磁流体流动控制等磁流体动力学研究。     

直流滑动弧等离子体点火器特性的实验研究

为了探究直流滑动弧放电应用于航空发动机燃烧室内点火的性能特点,设计了直流滑动弧等离子体点火器,在模型燃烧室内进行了煤油/空气混合气的点火实验,利用高速相机记录了滑动弧等离子体点火器的电弧产生和滑动过程以及燃烧室内煤油/空气混合气的点火和火焰发展过程,研究了不同空气工作介质流量、驱动电源输出电流、点火器电极夹角和点火器安装位置等因素对滑动弧等离子体点火器点火特性的影响。结果表明:滑动弧在运动过程中会产生不规则的跳动,并且存在着电弧分流的现象,导致电弧长度发生变化;在湍流的作用下,初始火核会演变为分裂的、大面积的湍流火焰,着火面积不断增大,最终在t=21ms时形成稳定燃烧;随着空气工作介质流量增大、驱动电源输出电流减小以及点火器的安装位置远离燃油雾化喷嘴,滑动弧等离子体点火器的电弧长度减小,点火延迟时间逐渐增长,例如余气系数α=8时,I=30A下电弧长度为47.1mm,相比I=20A增长了75.1%,点火延迟时间为21ms,相比I=20A缩短了40%;而随着点火器电极夹角的增大,电弧长度先增大后减小,点火延迟时间则先减小后增长,在电极夹角θ=45°时,电弧长度最长,点火延迟时间最短,分别为30.5mm和12ms。     

等离子体流动控制研究进展与展望

等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新型主动流动控制技术,具有响应时间短、激励频带宽等显著技术优势,在改善飞行器/发动机空气动力特性方面具有广阔的应用前景,已成为国际上等离子体动力学与空气动力学交叉领域的前沿研究热点。鉴于此,从介质阻挡放电(DBD)、电弧放电等离子体气动激励特性,等离子体气动激励抑制流动分离、控制附面层、控制激波与激波/附面层干扰、控制压气机与涡轮内部流动、控制管道流动和飞行控制等方面,综合评述了国际上等离子体流动控制的研究进展情况;从创新等离子体气动激励方式,揭示等离子体气动激励与复杂流动的非定常耦合机制,突破等离子体流动控制系统关键技术等方面,对未来的发展进行展望。     

消融控制电弧等离子体发生器放电特性的实验研究

通过衬套材料消融补充等离子体从而控制电弧生长的技术具有很好的应用前景。利用一个总贮能８００ｋＪ的模块化电容基脉冲功率源系统为消融控制电弧等离子体发生器强流放电提供电能输入，在一定的参数变化范围内，实验研究了脉冲功率源初始放电参数、等离子体发生器几何参数以及消融材料对消融控制电弧放电特性的影响规律。借助于理论分析，也可定性获得消融控制电弧等离子体压力和温度对上述影响参量变化的依赖关系。     

机器人在航天装备自动化装配中的应用研究

通过阐述航天装备传统人工装配方式的不足,提出了工业机器人装配方式的重要价值。简要介绍了工业机器人在国内外航空领域的应用现状,分析了航天装备在机械机构、系统组成、产品种类细分程度等方面的特点;针对航天装备装配过程中效率较低的工序,提出了工业机器人应用的研究思路与方向,并列举了需要突破的4项关键技术。最后,对机器人在航天装备自动化装配应用中的发展方向和趋势进行了展望。     

直流电弧喷射等离子体炬阳极喷嘴积碳现象的研究

采用高功率直流电弧等离子体喷射化学气相沉积工艺,制备了不同厚度的自支称金刚石厚膜.实验发现,等离子体炬阳极喷嘴积碳是沉积过程中最突出的问题之一.从理论和实验两个方面研究了阳极积碳产生的原因,并通过激光拉曼光谱分析了碳球的结构和成分.结果表明,碳球由金刚石层、混合层和最外面的石墨层构成.详细分析了甲烷浓度、冷却水温度、放电电弧的局部高温、阳极喷嘴的表面质量对积碳形成的影响,并提出了改进措施.     

等离子体激励抑制喷管分离流动数值模拟

为研究等离子体激励器对喷管分离流动的抑制作用,运用了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,数值模拟研究了交流介质阻挡放电等离子体和电弧放电等离子体对喷管分离流动的抑制效果,并探究了电弧放电等离子体不同放电热功率密度、不同放电位置对抑制效果的影响。结果表明：电弧放电等离子体在抑制喷管分离流动方面有更好的效果。当电弧放电等离子体激励器作用于激波与边界层相互作用区的上游时,对分离流动的抑制效果最好;当电弧放电热功率密度较小时,其产生的诱导射流速度很小且不易对分离区的流线产生影响;当电弧放电热功率密度为8×10¹⁰ W/m³时,喷管的分离回流区完全消失。     

一种小功率孔形阳极喷嘴等离子体炬的研究

为了提高小功率等离子体炬的综合性能,本文作者研制了一种新型具有孔形阳极喷嘴的小功率等离子体炬,功率1~5kW。采用流体模拟计算的方法,计算了喷嘴出口附近射流的流场结构特点。通过实验分别测试了采用氩气、氮气作为工质气体时等离子体炬的运行电流和电压,观察了等离子体射流形态和电极烧蚀情况,通过测量等离子体射流前方中心轴线位置处的光谱的方法计算射流温度,采用气体分析仪测量了等离子体射流附近的二氧化氮浓度。测得的试验数据显示相同工质流率和电流条件下,氮气等离子体射流运行电压远高于氩气,而光谱测得氩气射流的温度远高于氮气。氮气等离子体射流和外界空气接触产生了少量的副产物二氧化氮（低于10mL/m3）,而氩气等离子体射流附近无二氧化氮产生。     

航空装备电弧熔丝增材制造技术发展及路线规划图

电弧熔丝增材制造技术（wire arc additive manufacturing,WAAM）是一种高沉积效率的增材制造技术，采用逐层堆积的方式制备多种高性能的金属结构件，针对航空装备的大型、中等复杂的铝合金、钛合金WAAM成形技术的研究获得广泛关注。本文对WAAM技术定义、技术分类、成形系统及原理进行论述，综述了近年来国内外航空航天领域WAAM成形铝合金、钛合金的组织特性、冶金缺陷及质量改善、典型构件技术应用等方面的研究进展，分析了目前航空装备的大型、中等复杂构件WAAM成形技术所面临的关键共性问题，并提出了2035年WAAM成形技术路线规划图。     

直流电弧加热器多电极运行技术试验研究

多电极运行是提高直流电弧加热器大电流运行可靠性的有效途径。通过对双阴极/单阳极和双阴极/双阳极电弧加热器多电极运行调试,探寻了镇定电阻匹配方式、气体流量和电流等参数对多电极中各电极电弧电流分配特性的影响。结果表明,镇定电阻匹配方式是影响多电极稳定运行的关键因素,气体流量和电流等运行参数对电弧电流分配影响较小;对于双阴极/单阳极电弧加热器,只有在内外阴极同时连接镇定电阻,并且满足一定电阻差时,才能将电弧电流稳定分配到各个子电极上;对于双阴极/双阳极电弧加热器运行时,不论内外阳极是否连接镇定电阻,只要内外阴极连接镇定电阻,电弧电流均可稳定分配到各个子电极,并且电流分配比例可根据镇定电阻的匹配方式进行调节;多电极运行时,宜选用电流分配均匀,电能损耗小的电阻匹配方式。     

电弧加热器铜污染组分效应发射光谱定量研究

电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要地面试验平台,其采用电极放电加热获得高温气体的方式,会产生铜蒸汽粒子,并随同进入地面试验模拟的等离子体气流,产生电弧风洞地面试验铜污染组分效应。本研究利用发射光谱诊断技术,发展了一套电弧加热器高温流场组分在线诊断测量系统,开展对10 MW高焓叠片式电弧加热器铜电极烧蚀的在线测量,获得了铜原子浓度的实时测量结果。基于所选铜原子谱线,开展了对电弧加热器起弧过程和稳定工作过程的测量,同时分析了管式电极和环形电极下电极烧蚀的情况。研究结果表明：起弧瞬间,电极烧蚀较明显,管式电极的铜原子峰值浓度要明显高于环形电极;稳定工作后,环形电极铜原子烧蚀量迅速下降,并保持在一个较低水平（<10^-6）,管式电极仍然存在较高、不稳定的烧蚀,显示管式电极的烧蚀量要明显高于环形电极,且管式电极烧蚀量随着电弧加热器运行电流的增加而增加。基于该测量结果,建立了判定电极失效的直接判据,并用于保障电弧加热器运行安全。为研究电弧加热器电极烧蚀及地面试验铜污染组分效应提供了非接触式测量手段,目前,该测量系统已经作为电弧加热器的常规测试手段,提供电弧加热器高温气流的在线诊断。     

微波增强滑移电弧等离子体辅助超声速燃烧

为了研究微波增强滑移电弧等离子体对超声速燃烧火焰结构的影响,在超燃冲压发动机直连式实验台发动机模型加装了微波和滑移电弧结构,进行了超声速稳定燃烧实验。以单级凹腔作为火焰稳定器,燃烧室来流马赫数为2.5,常温乙烯从壁面横向射流,燃料射流点之前放置滑移电弧电极,凹腔对侧馈入2.45 GHz的微波。研究表明,在超燃冲压发动机燃烧室内滑移电弧同样遵循放电和扩展的周期特性,由于气流流速极高,滑移电弧周期约达125 kHz。等离子体的加入使燃烧室预燃激波串前移,火焰的起始和稳定位置从凹腔剪切层向燃料射流前部转移,超声速火焰燃烧速率提高。与单一的微波或滑移电弧等离子体增强燃烧方法相比,微波与滑移电弧的结合可在较低的能耗下,实现与高功率微波等效的效果。微波增强滑移电弧等离子体能够对超声速燃烧起到稳定作用。     

铝合金增材制造的发展现状与展望北大核心CSCD

铝合金增材制造凭借着材料自身的轻量化优势以及增材制造工艺在材料利用率和复杂结构制造方面的特点,在航天领域结构件的制造方面受到了广泛关注。本文针对铝合金增材制造在航天领域的应用,通过电弧熔丝、激光选区熔化以及激光送粉三个代表性工艺分析铝合金增材制造技术的研究现状及现存问题,并简要阐述了目前铝合金增材制造技术在航天领域的应用现状和未来的发展方向。     

等离子体清洗技术及其在复合材料领域中的应用

低温等离子体作为材料表面改性技术的应用已经非常广泛,其中一项重要应用是作为一种干法清洗技术有效清除材料表面的有机污染物及氧化层,同时改善材料表面的物理及化学性能.本文对等离子体清洗技术的机理、类型及效果特点进行了详细分析,介绍了等离子体清洗设备及影响其清洗效率的工艺参数,并着重分析了等离子体清洗技术在复合材料领域的应用现状及应用前景.     

等离子体炬电弧放电热膨胀不稳定性分析

针对层流电弧中的不稳定性以及电弧脉动的起因,利用简化的一维放电模型,分析了稳态放电非转移弧层流等离子体射流的放电热膨胀不稳定性表现为射流周期性震荡的宏观性质,提出电弧放电室进气流初始定向流速增加能够抑制等离子体炬射流放电不稳定性的发展。放电热膨胀不稳定性发生的主要机制是:由于放电气体密度的随机涨落与电场加热气体功率的反相关变化,导致电弧放电通道内温度高的区域随着加热功率的增加而正反馈增加,由此导致电弧放电热膨胀不稳定;放电气体的定向流速度为射流增加的一项动压与密度变化成正比,导致放电热膨胀不稳定性的发展具有阈值限制;增加定向流速度能够抑制放电热膨胀不稳定性。     

等离子体增强含硼燃气二次燃烧实验分析

为研究等离子体助燃条件下含硼燃气在补燃室的二次燃烧特性,建立了排除来流空气掺混效应的扩散燃烧实验模型。利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室的火焰照片,得到了有无等离子体条件下的燃烧火焰形貌;测量了补燃室不同截面的静压和总压,分析了有无等离子体条件下含硼推进剂在固冲发动机中的燃烧效率。实验结果表明：在含硼燃气二次燃烧过程中加入等离子体炬,等离子体炬后方区域火焰更加明亮,硼燃烧更加充分;断开等离子体炬后,补燃室静压和总压出现压力突降台阶,说明加入等离子体后可以加快化学反应速率,提高含硼燃气在固冲发动机中的燃烧效率,从而提高了补燃室的压强;且放电功率越高,含硼燃气在固冲发动机中燃烧效率的增长率越高。     

镍基高温合金电火花辅助电弧高效铣削技术

镍基高温合金因具有独特的物理化学性能，在航空、航天和军事工业等领域得到了广泛应用。然而，国内外常用的镍基高温合金机械铣削方法存在着材料去除率低、成本高和刀具损耗大等问题。尤其用其加工航空航天领域的整体叶盘、涡轮盘、机匣、航天器连接框和航天器返回舱体等零件时，上述问题更加突出。针对这些问题，开展了镍基高温合金电火花辅助电弧高效铣削技术的研究工作。采用高纯石墨工具电极内冲液、外冲气的工作介质冲注方式，使用自行研制的电火花辅助电弧高效铣削数控机床，试验研究了不同工艺参数对加工镍基高温合金GH4169的材料去除率、电极相对损耗率、加工误差等工艺性能的影响关系，揭示了工件加工表面的微观结构特性。试验结果表明，加工镍基高温合金GH4169的材料去除率达11 523 mm³/min,电极相对损耗率约为1.5%,加工成本远低于机械铣削。     

两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

两电极等离子体高能合成射流激励器通过腔体内电极间的瞬时电弧放电加热腔内气体,在激励器出口产生压差并喷出高速射流,从而产生反作用力和冲量。针对两电极等离子体高能合成射流响应快、持续时间短的特点,设计了单丝扭摆式微冲量测量系统,并结合高速阴影系统,对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行了实验研究。实验结果表明,两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs,射流持续时间约为1ms,射流前锋最大速度约为190m/s,射流流场发展过程中存在多道强压缩波,并以当地声速向下游传播。单丝扭摆式微冲量测量系统可实现μN·s量级冲量测量精度,单脉冲冲量约为32μN·s,并且在低频状态下射流总冲量随激励器放电频率成线性增加。     

刘黎明焊接技术专家

您带领科研团队经过多年的研究,多项科研成果达到国际领先水平,请您与我们分享一下这些科研成果. 刘黎明:我们科研团队近年来围绕低能耗、低污染绿色焊接制造技术、材料及装备开展了系列研究,目前已研制出激光一电弧及激光一多电弧及电弧一电弧等系列低能耗复合焊接技术及装备,实现了包括钛合金、铝合金及高强钢等多种金属材料的优质高效连接,并在航空航天及船舶制造领域得到推广应用;开发出具有低污染的镁合金焊接材料,显著减少镁合金焊接烟尘,实现了镁合金高性能绿色焊接制造;通过对异质焊接界面反应过程进行精确控制,实现了镁/铝、镁/钢等异质材料的良好连接,为促进轻质合金构件在汽车、飞机装备中应用起到了积极的推动作用.