壁面冷却的三股混合气流的数值计算

对双层壁扩压器与波瓣喷管组合的三股气流的引射混合进行了流场温度场的数值计算。计算域划分为各子域 ,通过求解拉普拉斯方程 ,分别生成三维贴体曲线坐标网格 ,边界网格加密且波瓣处正交 ,各子域组合成整个网格。为避免因波瓣造成的网格强烈的非正交而引起解的发散 ,本文采用了同位网格 SIMPLEC计算方法和Chen-Kim修正的 k-ε湍流模型。固体区域采用大粘性解决流固耦合 ,还结合了线性欠松弛和拟瞬态欠松弛。结果证明 :双层壁间有外界冷气流被引射进入 ,形成壁面的冷却气流 ,相对单层壁扩压器 ,双层壁扩压器的壁面温度明显降低。对于小扩压角 ( 0～ 5°) ,随着扩压角的增大 ,壁面平均温度降低 ;但当扩压角较大时 ( 5～ 1 0°) ,壁面平均温度则增加     

渐扩后倾肩臂孔平板气膜冷却特性实验研究

提出一种新型气膜冷却孔型——渐扩后倾肩臂孔,运用压力敏感漆（PSP）实验技术,研究其与圆孔、肩臂孔的气膜冷却性能差异,并采用N₂和CO₂气体作为冷却气,对比分析了密度比1.0和1.5情况下吹风比（Br=0.5~2.0）对渐扩后倾肩臂孔平板气膜冷却性能的影响。结果表明:在相同密度比、吹风比条件下,渐扩后倾肩臂孔方案冷却效率优于圆孔和肩臂孔（肩臂孔略高于圆孔）。在密度比为1.0的情况下,当测量点离孔的距离与孔入口直径的比值x/D < 15时,渐扩后倾肩臂孔方案的展向平均气膜冷却效率随着吹风比的增大呈递减趋势;当x/D>15时,冷却效率在Br=1.0时最大。在密度比为1.5的情况下,渐扩后倾肩臂孔方案的展向平均气膜冷却效率随着吹风比的增大呈先增大后减小的趋势,在Br=1.0时冷却效率最大。分析认为:不同密度比情况下,吹风比对渐扩后倾肩臂孔冷却性能的影响差异,主要是由于密度比较小时,冷却气出口速度更大,使冷却气更易吹离冷却壁面。     

燃油冷却面板传热特性试验与计算分析研究

采用热电偶测温、气壁红外测温及燃油样品裂解度测量等多种手段,在DJ-21电弧加热器上进行了燃油冷却面板传热特性试验.进行了共计19次燃油冷却面板传热特性试验,试验高状态对应平均热流为1.6MW/m2,低状态对应平均热流为1.1MW/m2;用于冷却的燃油质量流率为1.84~5.8g/s.为了反映冷却面板热流密度分布,以喷管三维流动计算结果作为输入条件,将计算得到的热流密度与试验测量的冷壁热流密度比较,用以确定流场计算方案、流场切取方案和热流密度计算方案.发展了冷却面板稳态准三维热分析程序,将等效热流对应的冷壁对流换热系数和燃气总温作为高温燃气侧的边界条件.使用热分析程序完成了相应的计算.通过试验与计算数据对比研究,表明热分析计算的可信性.试验验证了冷却面板的设计与加上是可行的.     

水蒸气冷却润滑时高温合金的绿色切削试验

为实现高温合金用水蒸气作冷却润滑剂的绿色切削,研制了600~800 W的小型过热水蒸气发生器,并用YG 6硬质合金刀具对镍基高温合金GH 4169进行了单因素切削试验,效果明显:用水蒸气时,与干切、乳化液相比,主切削力分别减小了15%~20%和10%~15%,切削温度分别降低了20%~30%和10%~20%,并建立了切削力和切削温度的经验公式;变形系数也有减小;切屑多为螺卷屑。由于水蒸气分子直径远小于乳化液中水包油粒径,气态水分子容易进入刀-屑间的毛细管,故具有良好的冷却润滑性能。水蒸气可替代乳化液作冷却润滑剂,且来源广泛,又无污染,从而可实现高温合金的绿色切削。     

改善横向波纹隔热屏综合冷却效率的发散冷却结构优化

为改善横向波纹隔热屏综合冷却效果,采用三维数值模拟和基于支持向量机的代理优化模型,在给定的单位面积冷却空气流量下对发散冷却结构参数进行了优化研究。设计变量选取为气膜孔直径、气膜孔排布的展向间距和流向间距,以面积平均综合冷却效率作为目标函数,通过遗传算法搜索获得了设计变量区间内的优化设计点。在隔热屏单位表面积冷却空气流量G_f = 2.647 kg/（m²?s）的工况下,优化后的d、P和S分别为0.8、4和5 mm。研究结果表明,优化的隔热屏冷却结构应具有较小的气膜孔直径d和展向间距P,以及适中的流向间距S。相对于参考结构,优化后的发散冷却结构能够改善沿流向的气膜覆盖,缩减发散冷却起始段局部高温段,起到增强隔热屏发散冷却综合冷却效率的作用。     

轻质点阵主动冷却壁板热流固耦合响应分析

提出一类以点阵材料为夹芯的新型轻质主动冷却壁板,研究了Ma=6条件下的该壁板的流固耦合传热性能及热结构响应性能,并从热防护、热强度和轻量化等几个方面与槽道式主动冷却结构进行了综合比较。采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,考虑了几种典型的点阵夹层结构与冷却液动态换热过程的相互影响,分析中考虑了碳氢燃料与合金材料热物理性质随温度的变化以及湍流换热,求解获得了流体与结构的三维瞬态温度场,并通过顺序耦合求解获得了结构的应力场。计算结果表明,在相同的热环境下,高孔隙率的轻质点阵夹层结构的流固界面换热性能远高于槽道式主动冷却结构,因此结构的最高温度也较低,同时应力集中问题也有所缓解。通过对不同构型的点阵夹层结构的比较发现,胞元构型对其传热性能和结构应力应变有显著的影响。     

精铸叶片金属型随形冷却蜡模的快速制作方法

针对现有树脂型快速模具存在精度差、导热率低的问题,提出了一种基于低熔点合金铸造成形的空心涡轮叶片熔模铸造蜡型注射用快速模具制作方法;设计了注蜡型腔模的复合结构,型腔模外部是铝合金框,内部是包埋有随形冷却铜管的低熔点合金铸造体;给出了模具内随形冷却管的设计方案。以“模具-蜡型-型芯”系统为分析对象,应用ANSYS软件进行了模具冷却仿真。仿真结果显示本模具的冷却速率与温度均匀性得到显著改善。     

用于AgGaS2晶体生长的石英安瓿镀碳工艺研究

采用金相显微镜、推力分析仪等测试手段研究了石英安瓿内壁镀碳工艺对所镀碳膜的表面形貌、碳膜和石英安瓿结合力的影响。获得了一个较佳的镀碳工艺,即在气体流量为600 ml/min,镀碳温度在1060℃~1100℃之间,镀碳时间为30 min,冷却时间为11 h的条件下可获得均匀、致密而且与石英安瓿内壁结合牢固的碳膜层。采用该工艺镀膜的石英安瓿生长的AgGaS2晶体完整,表面光洁透明,位错密度低,约为6×104cm-2。     

基于稀土Dy离子荧光强度比的温度测试技术

大面积表面温度测量技术在风洞测温领域中具有重要意义。为满足更高表面温度的测量需求,亟待开展新型测温技术及温度传感材料的研发。基于稀土离子的热耦合能级荧光强度比进行温度测量是一种新型测温技术。本文合成了一种温敏发光材料(YAG:Dy),研究了50～1 000℃范围内稀土Dy³⁺离子的一对热耦合能级(⁴F_9/2→⁶H_15/2,⁴I_15/2→⁶H_15/2)的跃迁发光强度比与温度的对应关系。基于该材料,本文开展了荧光强度比测温与红外测温仪测温的对比实验,实验结果表明：两者的测量结果有很高的吻合度,证明该温敏发光材料(YAG:Dy)可用于50～1 000℃范围内的温度测量。     

高温下泡沫夹芯材料Ⅰ/Ⅱ混合型界面断裂特性试验（英文）

泡沫芯夹层材料以其轻质、高强、耐腐蚀等优点在土木工程中得到了广泛的应用。然而,泡沫芯夹层材料的界面结合强度在高温下有所减弱。在实际应用中,由于复合材料和泡沫材料对环境温度的变化非常敏感,高温的影响是不可忽视的。在本研究中,通过一系列单臂弯曲梁在不同温度下的试验来评估高温对泡沫芯夹层材料Ⅰ/Ⅱ型混合界面断裂的影响。温度范围为29～90℃,覆盖了复合材料和泡沫芯的玻璃化转变温度。总结了Ⅰ/Ⅱ型混合界面裂纹扩展及其相应的界面应变能释放速率。     

燃烧室高温燃油的密度变化特性及控制方法研究

针对燃烧室主动冷却通道高温燃油的密度变化特性进行了分析,给出了燃油温度和压力等参数的测量系统设计方法,利用能量守恒和等熵关系式设计了能够适应燃油密度大幅度变化的喷注压力调控方案.为确定燃油密度变化对调控方案的影响,在直连式燃烧试验平台开展了燃油喷注压力调控试验,试验过程中燃油测控系统工作正常,燃油喷注压力和密度大幅度变...     

硅基ZnO薄膜组织形貌的研究

本文采用自行设计PECVD的设备生长ZnO薄膜,以在等离子体作用下的CO2/H2作为氧源,Zn(C2H5)2为锌源,N2为载气,在Si(111)衬底上生长ZnO薄膜,衬底温度分别为400℃、450℃。使用原子力显微镜和带能谱的环境扫描电镜分析这两个ZnO薄膜样品的表面和断面组织形貌。实验结果表明,衬底温度直接影响薄膜的结晶质量。在衬底温度为450℃时生长薄膜样品,晶粒之间存在有规律的聚集,主要按六方环结构排布,比在衬底温度为400℃生长的薄膜的晶粒之间的聚集更有规律,这与XRD测试结果相吻合;薄膜的断面组织形貌图也进一步证实了在衬底温度为450℃时生长的ZnO薄膜,C轴高度择优取向。从薄膜的断面组织形貌图还可以看到,薄膜与单晶硅衬底之间界面几乎是一条直线,样品经过高温退火处理,薄膜未出现裂纹或卷起,说明薄膜与单晶硅之间存在一定的化学键合。     

冷却润滑介质对钛合金Ti6Al4V加工性能的影响(英文)

为了更好地理解和认识冷却润滑介质在切削过程中的作用并延伸它们的应用,应用无涂层硬质合金对钛合金Ti6Al4V在不同冷却润滑介质下(干切削、冷风、最小量润滑(Minimal quantity lubrication,MQL)、低温MQL以及电离空气)进行了高速车削试验。结果表明,在120m/min车削Ti6Al4V时,电离空气条件下的切削力最小,低温MQL条件下切削温度最低。电离空气条件下的刀具寿命最长,其次是低温MQL。同时,电离空气条件下获得的加工表面粗糙度最小。通过扫描电镜分析,高速车削Ti6Al4V时,后刀面磨损和月牙洼磨损是刀具磨损的主要方式。实验说明电离空气与低温MQL具有较好的冷却与润滑效果,可以有效地提高刀具寿命。     

吸入式空冷汽轮发电机气体运动流场分析及应用

为了提高空冷汽轮发电机的冷却效果,改变原压入式空冷汽轮发电机通风方式,空气由定子风道和转子风道进口进入,由吸入式风扇排出,消除了原压入式汽轮发电机由于风扇进风而带来的风道进口温度升高以及转子风道的热风进入定子风道造成定子风道进风口温度增加,改善了冷却效果.采用模型试验和数值模拟方法对吸入式空冷汽轮发电机风道气体运动流场进行了分析,结果表明:吸入式空冷汽轮发电机转子风道进口风速一般为10.0~90.0m/s,和压入式空冷汽轮发电机转子风道进口风速基本相同;距汽端近1.0m范围内,定子风道风速一般为8.0~18.0m/s,距汽端1.5~3.0m范围内,定子风道中风速仅为3.0~5.0m/s,为了使定子得到均匀冷却,将前15个风道间距增加至80.0mm,后25个风道间距减小至45.0mm,可在总风道数目基本不变的情况下改善冷却效果.     

面向空间引力波探测的非接触式卫星平台无拖曳控制技术

空间引力波探测任务中,为保证作为惯性基准的检验质量不受扰动,航天器需采用高精度无拖曳控制技术,让卫星平台实时跟踪检验质量块。同时星间激光测距对航天器的指向也提出了较高要求。为满足空间引力波探测的需求,本文提出了一种基于非接触式卫星平台的无拖曳控制方法。该方法基于分舱式卫星平台设计,利用载荷舱与平台舱之间的磁浮机构替代传统无拖曳卫星中的微推进器来控制载荷舱,让载荷舱跟踪检验质量块,同时平台舱跟踪载荷舱,实现高精度的拖曳补偿和平台指向。仿真结果表明,非接触式卫星平台姿态指向精度为6×10^{-4 o},姿态指向稳定度为2×10^-4(°)/s,无拖曳补偿后检验质量上的残余扰动加速度水平约为10^-15m/(s²·Hz^1/2)。     

高温含水气流条件下燃烧室材料考核的电弧加热试验模拟方法

在燃烧室的内流热环境下,燃烧室壁面的部分防热材料(如 C/SiC 或超高温陶瓷)与碳氢燃料燃烧产物水蒸气发生的氧化反应速率比与空气中的氧气还要快。水蒸气的存在加剧了防热材料的氧化。另外,水蒸气还能与材料表面玻璃状的 SiO2保护层发生挥发性的化学反应,破坏了 SiO2保护层。这些因素对燃烧室防热材料的防热效果有明显的影响。本文采用等离子电弧加热矩形湍流导管试验方法模拟超燃冲压发动机燃烧室的内流热环境,并在试验喷管前的混合稳压室内横向喷射4%~5%的常温水与高温气体混合,模拟燃烧室内水蒸气的组份、浓度和温度,采用数值计算的方法分析混合稳压室内水与高温气体的掺混程度,研究含水的高温气体的总温(总焓)计算方法。     

电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断

气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键,常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境,电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术,选用原子O（777.19nm）谱线,基于局部热化学平衡等离子体假设,对电弧加热器内高温离解空气（＞5000K）试验气流进行在线诊断。试验测得了总焓H₀=15.8,17.4MJ/kg 2组工况下,电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度。2组工况获得平均气流温度分别为5843和6047K,对应高温平衡气流表获得气流温度为5950和6335K。测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在（1.1~1.2）×1018cm-3之间,低能级5S₂0粒子数密度在（1.0~1.6）×1010cm-3之间,2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致,验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性。本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段。     

发射光谱诊断电弧加热器漏水故障的试验研究

电弧加热器是飞行器热防护系统地面考核试验的首选设备。电弧加热器在运行时,由于其电极工作在高温环境,普遍采用高压水进行冷却,试验中存在着由于电极烧穿漏水导致加热器严重烧损的风险。由于高温气流的恶劣环境,目前尚无有效监测手段。本文作者建立一套以氢原子Hα（656.28nm）和氧原子（777.19nm）发射谱线作为目标谱线的发射光谱监测系统,通过分析电弧加热器故障条件和正常运行下高温流场中的发射光谱特性,诊断某高焓电弧加热器因烧蚀出现的电极漏水故障,并在考虑温度误差的前提下对该光谱测量系统测量灵敏度进行评估,获得了A、B两种试验状态下的漏水探测极限:A状态下约为1.85～0.94g/s;B状态下,2.12～0.98g/s。试验结果表明,发射光谱应用于电弧加热器漏水故障诊断是切实可行的。     

3D C/C复合材料超高温剪切性能试验研究

C/C复合材料同时结合了纤维增强复合材料高性能、可设计性和碳素材料优异的高温性能和化学稳定性等优点，广泛地应用于固体火箭发动机喷管、高速飞行器头部与翼前缘等热端部件。怎样正确评价C/C复合材料的超高温力学性能，成为了其能否合理使用的关键因素之一。本文将基于C/C复合材料良好导电特性的试样直接通电加热技术与复合材料双切口压缩剪切试验技术（DNS）相结合，提出了一种可用于温度达3000℃的材料超高温剪切性能试验方法。利用该方法完成了3D C/C复合材料室温～2800℃温度范围的剪切性能试验研究，红外热像仪测试结果显示在试样标距区内温度场分布较均匀，全场应变测试系统测试结果显示在试样标距区内应变分布较均匀，室温下双边切口压缩试验方法与Iosipescu试验方法测试剪切强度具有好的一致性，该方法适用于C/C复合材料超高温剪切性能试验研究。3DC/C复合材料具有显著的剪切非线性，剪切强度在一定温度范围内随温度的升高而增加，在2400℃左右达到最大值，而后随温度增高而降低；材料的主要破坏模式为薄弱面的宏观裂纹扩展、纤维束剪切破坏与拔出。     

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。