正十四烷层流燃烧特性的实验

采用定容燃烧实验平台获得初始压力为0.1 MPa、初始温度为420、450 K和480 K,当量比为0.8~1.4工况下正十四烷/空气预混气层流燃烧速度和马克斯坦长度,并分析了初始温度、当量比等因素的影响。研究发现:初始温度和当量比的增加对预混气球形火焰稳定性影响较小,在初始温度为480 K、当量比为1.3工况下,火焰内部无裂纹或胞状结构;初始温度的增加能够加快火焰传播速度,促进火焰锋面形成,其影响在稀混合气中更为显著;随着当量比的增加,正十四烷预混燃烧火焰马克斯坦长度减小,火焰稳定性变差;随着初始温度的增加,正十四烷马克斯坦长度减小,无拉伸火焰传播速度和层流燃烧速度增加,另外,与RP-3航空煤油层流燃烧速度对比发现,正十四烷层流燃烧速度整体偏高。     

正十四烷低温点火及燃烧机理的构建和简化

为了开展燃烧流场数值模拟,构建了包含71个组分391个反应方程的正十四烷低温点火及燃烧骨架反应动力学机理(C14_SK71);采用计算奇异摄动法(CSP)和准稳态假设法(QSSA)对骨架机理进行简化,得到包含44个组分40个反应方程的总包简化机理(C14_Red44);通过实验测得的点火延迟时间、火焰传播速度以及射流搅拌反应器(JSR)组分浓度数据对机理进行了计算和验证。结果表明:该十四烷燃烧机理能够比较准确地预测温度700K~1350K内点火延迟数据,再现中低温条件下的负温度效应(NTC);较好地模拟了当量比0.7~1.4内的正十四烷/空气预混气的层流火焰传播速度,以及温度650K~1050K内正十四烷氧化过程中的组分分布。与现有的正十四烷氧化反应机理相比,该骨架机理和总包简化机理规模较小,为进一步开展燃烧流场数值模拟提供了可用的反应机理模型。     

应用于强化传热的相变材料微胶囊的制备及特性

相变材料微胶囊(MEPCM)悬浮液是一种高热容冷却介质,其应用可大幅提高高功率设备液体冷却性能。本文对相变材料微胶囊的制备及其热特性进行了研究,研制了以蜜胺树脂为壁材、22烷为芯材、粒径10微米、不同芯材含量且适合于电子设备液体冷却的双层壁MEPCM。通过光学显微镜以及扫描电镜(SEM)观察到包覆完好的圆球状MEPCM。研究了制备过程中影响粒径以及包覆特性的因素。最后的DSC热分析表明了MEPCM具有很高的蓄热能力。      

相变材料微胶囊表面吸附纳米颗粒对传热过程的影响

通过对相变材料微胶囊、纳米颗粒和基液之间传热过程的仿真计算,分析了纳米颗粒的数目、粒径和热导率对微胶囊与流体之间传热Nu的影响.进而采用数值方法研究了吸附纳米颗粒后,微胶囊-流体传热系数的提高对相变过程的影响,研究结果为纳米颗粒的强化传热机制提供了部分理论依据.      

相变材料微胶囊悬浮液在矩形小通道内层流流动传热的实验

本文进行了对比性的实验,以研究相变材料微胶囊(MEPCM)-水悬浮液在水力直径为2.71mm的矩形小通道内的层流流动传热性能.实验中用的MEPCM颗粒的平均粒径为4.97μm,与蒸馏水混合制备成质量浓度范围为0～20%的MEPCM-水悬浮液.对比性的实验是指,在相同的悬浮液质量流量和热力条件下,使用不同浓度的MEPCM悬浮液进行传热实验.实验发现,MEPCM悬浮液的冷却性能严重依赖于悬浮液的质量流量和悬浮液的质量浓度.质量浓度为5%的悬浮液在在整个质量流量范围内总是表现出比水好的冷却性能,它对应的是更低的壁面温度以及更好的传热系数.而对于更高质量浓度的悬浮液,在低质量流量的情况下,它们具有很好的冷却性能;而在高质量流量的情况下,它们表现出的冷却性能比水更差,它们对应更高的壁面温度以及更低的Nusselt数.     

十八烷-棕榈酸/膨胀石墨相变储能材料的制备与性能

以十八烷和棕榈酸的低共熔物作相变材料,膨胀石墨为基体,采用真空浸渗方法,制备出十八烷-棕榈酸/膨胀石墨相变储能材料。由于膨胀石墨的多孔结构,其毛细作用力和表面张力使得相变材料在发生固液相变的过程中,失去了流动性。采用DSC,ESEM、熔化凝固过程分析对相变储能材料进行了结构和热性能研究。结果表明,癸酸-月桂酸被有效地包封在多孔石墨孔内,膨胀石墨作为基体材料,较大的提高了相变材料的导热率,同时该储能材料还具有较高的相变潜热和较好的热稳定性,可被应用于储能和热能回收系统中。     

正十七烷与正十八烷对航空煤油理化性能及液滴平均直径的影响

讨论了正十七烷与正十八烷(C₁₇,C₁₈)对燃料运动黏度、密度、表面张力理化性能的影响,探究了直链烷烃对SMD(Sauter mean diameter)的影响.将Key's混合规律、Tat混合规律和多项式拟合应用于密度公式的拟合,并将Key's混合规律与对数拟合应用于运动黏度公式的拟合,得出的理化性能拟合公式精度较高;通过测量纯煤油及C₁₇,C₁₈混合油雾化的SMD,实验发现随着直链烷烃的质量分数的增加,混合油的运动黏度增加,SMD也随之增加,雾化效果与纯航空煤油的相比较差,而C₁₈混合油的SMD要比C₁₇混合油要大,并且利用密度、运动黏度的拟合公式对SMD进行预测的偏差小于0.3%.      

正十二烷和甲基环己烷在超燃燃烧室中的点火和稳焰特性研究

主要研究了液态单组份碳氢燃料在超燃燃烧室中的点火和稳焰性能,所用燃料为正十二烷和甲基环己烷,研究结果可以为超燃冲压发动机的燃料制备提供部分依据。试验在以蓄热式加热器为核心的直连式试验台上进行,超燃燃烧室进口总温在1040~1100K范围内,进口马赫数2.03,进口空气流量2.0kg/s左右,点火器为燃气发生器,采用串联凹腔作为火焰稳定装置,在第一个凹腔前常温燃料垂直喷射到燃烧室中。研究结果表明:与正十二烷相比,甲基环己烷在来流总温较低的超声速流中更容易被点燃和实现稳火,但总体来讲,当燃烧室进口总温低于1100K时,常温液态燃料的点火和稳焰性能较差。理论分析了两种燃料的蒸发特性,计算结果表明在来流参数相同时,甲基环己烷的蒸发特性优于正十二烷。利用一维分析方法结合试验测量的壁面静压、燃烧室入口马赫数和空气流量,得到了正十二烷和甲基环己烷不同工况时的总温分布和出口燃烧效率。     

相变微胶囊悬浮液在树形微通道内的热力特性

以乙二醇水溶液为载冷基液制备了相变微胶囊悬浮液(MEPCMS),并测量了其物性参数,然后实验研究了MEPCMS在树形微通道内的热力特性,揭示了雷诺数、质量分数对MEPCMS热力性能的影响规律.结果 表明:MEPCMS的比定压热容随着微胶囊质量分数与温度的增加而增大,黏度随着微胶囊质量分数的增加与温度的降低而增大;MEP...     

超临界压力正十烷对流传热实验及计算研究

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件,利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验,目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1．5 mm、外径3．0mm、长度1300mm。采用K型热电偶测量管壁沿程外壁温。实验中正十烷压力约4．0～4．3MPa,温度约335～870K,流量分别为0．93、1．24和1．86g/s。正十烷的流动经历了层流、过渡和湍流3种流态。采用最小二乘法拟合实验数据,获得了正十烷在3种流态下的传热关联式。通过外壁温计算值与实验值的对比,验证了本文给出的传热关联式的适用性。     

气体状态方程对正十二烷射流燃烧的影响

选取正十二烷作为航空煤油的替代燃料,应用大涡数值模拟方法和详细化学反应动力学相结合的方法对该燃料在超临界环境下的射流燃烧进行计算,研究其射流、燃烧及排放特性。重点考察了气体状态方程对射流形态、贯穿距、温度、混合分数等的影响。结果表明:理想气体和真实气体状态方程对仿真得到的射流贯穿距和宏观形态影响不大,而真实气体状态方程可以更好地反映在超临界环境下的液体燃料射流内部特征,如混合分数、温度;燃烧方面,仿真的点火延迟与实验存在10%的误差,火焰浮起长度、火焰形态、碳烟等均得到很好的预测,NOx与OH分布与温度场具有高度一致性。     

超临界正十烷喷射到大气环境的喷射特性

研究了超临界正十烷(n-decane)喷射到静止常温常压大气环境中的近场射流结构及喷口附近的射流相变特性.研究结果表明,超临界正十烷喷射到静止大气环境中后会经历类似于理想气体不完全膨胀的过程,会在喷嘴下游产生马赫盘等激波结构,马赫盘的位置随喷射压力的提高而增大,而喷射温度对马赫盘位置几乎没有影响.当喷射温度较高时,超临界正十烷在喷嘴出口处直接进入气相区,没有凝结现象发生.而当喷射温度接近临界温度时,超临界正十烷会在喷嘴内部及出口处发生局部凝结,进入气液两相区.      

相变材料热控系统内部接触热阻的辨识方法研究

在相变材料热控系统的吸热融化过程中,由于材料与容器壁面之间的空穴效应形成的接触热阻,将对熔化传热形成阻尼效应。采用反演热传导反问题的方法,将参数辨识中的灵敏度法和共轭梯度法应用到实验,建立了一种可用于材料熔化过程界面稳态和瞬态接触热阻的辨识方法。模拟辨识与初步应用表明：辨识方法计算精度高、稳定性好,为精细化分析相变材料热控系统中的熔化吸热过程奠定基础。     

CNTs泡沫相变复合材料:纳米孔隙的构筑与相变材料的包裹

热能是一种广泛存在并极具应用前景的能源,但目前储热材料的能量转换时间较长,储热效率较低,亟需一种高性能的新型储热材料。本工作通过化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)方法利用碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs)构筑宏观体材料,在微纳尺度下对复合材料结构进行优化,合成孔隙结构可控的 CNTs泡沫,利用毛细管作用力将熔融相变材料硬脂酸和石蜡填充到 CNTs 泡沫中,形成分散均匀的 CNTs相变复合材料。用聚焦离子/电子双束显微电镜(FIB/SEM)观察样品形貌,用差式扫描量热计(DSC)分析样品潜热,用 X 射线衍射仪(XRD)分析样品晶体结构,用拉伸试验机测试样品强度。结果表明:CNTs泡沫对相变材料具有优异的包裹性,减少了在相变循环中相变材料的流失;复合相变材料具有较高的潜热。     

超临界压力下正十烷流动传热的数值模拟

为了深入理解主动再生冷却过程中碳氢燃料的超临界传热特性,基于SIMPLE算法建立了数值模拟方法,考虑了碳氢燃料物性随温度的剧烈变化,并利用电加热管实验结果验证了计算方法。针对超临界压力下细管道内正十烷的流动传热现象进行了系统的数值计算研究,考察了计算网格无关性和超临界流动传热过程中的压力效应。结果表明:网格选择与正十烷的状态有关;在超临界压力下,较低的正十烷压力引起临界温度附近的努赛尔数减小,导致传热效率下降;目前常用的传热经验公式在正十烷临界区域附近与数值计算结果差别较大。     

填充泡沫复合相变材料的热控单元热性能研究

建立了分析可移动电子设备热控制单元(TCU)热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.结果表明,填充泡沫复合相变材料(FCPCM)和肋都能很好地提高TCU内相变材料(PCM)的导热性能,能更好地满足电子元件的工作要求,且前者方案更具优势.此外,还对泡沫骨架材料和PCM的选择进行了计算分析,结果表明,孔隙率是影响TCU热性能的重要参数,铝FCPCM具有良好的热性能,PCM的选择应视电子元件的使用设计要求而定.所得结论对移动电子设备TCU的设计和优化有一定的指导作用.     

材料技术和研制概况

由于再入飞行器材料技术(REVMAT)计划设有直接研制产品的任务,白橡树实验所避免漫无边际的研究而力求把技术途径建立在坚实的技术依据上。这一点是通过以下几项工作来实现的:确定材料要求(MRD)计划、微观结构分析计划、破坏分析研究以及侵蚀备选材料的热化学分析。     

八水氢氧化钡相变材料的强化传热实验

采用差示扫描量热法(DSC)对八水氢氧化钡相变材料进行热物性分析,总结出一种针对结晶水合盐相变温度与潜热准确可靠的测量方法.通过扫描电子显微镜(SEM)获得相变材料与金属容器截面腐蚀情况的图像,证明八水氢氧化钡与紫铜有优良的相容性.分别对含/未含泡沫铜的固液相变蓄热体进行实验研究,结果表明:泡沫铜填充使相变材料在固相区内熔化时间减少了26%,增强了相变材料的传热效果,而且将八水氢氧化钡过冷度降低了50%.      

相变热图试验技术研究与应用

相变热图试验技术是通过在飞行器表面喷涂具有一定相变温度的相变涂料来进行大面积热测绘的风洞试验技术，在FL-31高超声速风洞中，采用半球-圆柱体绝热模型进行试验的结果表明，相变热图试验技术的假设成立，测量可靠，特别是与之相配套的相变热图图谱分析软件系统的开发，使测热试验更加可视化和自动化。