重整气爆轰增压燃烧特性分析

为了提高燃气轮机的热效率,提出将化学回热技术（CR）与连续旋转爆轰增压燃烧（CRDPC）技术进行有效结合的思路.通过实验研究与数值研究的方法分别考察了不同的甲烷蒸汽重整方案对热回收的影响、重整气的增压燃烧流场特性及燃烧室性能等.结果表明:并列协同催化甲烷蒸汽重整方案具有最佳的重整性能,甲烷转化率和总焓增加率分别达到46.51%和25.28%;重整气组分的差异对爆轰波系流场结构影响较小,但是氢气质量分数的增加可以提高爆轰波传播速度,也会加剧新鲜预混气与上一轮爆轰产物的接触间断处的提前燃烧;在总压相同且重整气与空气以化学当量比进行预混的前提下,重整气中氢气质量分数增加1.1%左右时,预混气入口比质量流量降低约4.5%,但连续旋转爆轰燃烧室增压比降低约6.0%,这主要是接触间断处的提前燃烧造成的.      

旋转爆轰燃烧室高度对流场影响

为了研究旋转爆轰燃烧室几何结构对旋转爆轰波的影响规律,针对旋转爆轰燃烧室高度对爆轰流场结构和爆轰波传播特性问题,采用2维数值模拟方法分析了爆轰波在4种高度的燃烧室内的参数变化和波系特征。结果表明:在4种高度的燃烧室内爆轰波均能自持传播,且爆轰流场结构相似;当燃烧室高度为4 mm时,爆轰波后的反射激波压力较高;在一定范围内,爆轰波传播速度随燃烧室高度的增加而增大,在爆轰波高度为10、16和20 mm时,爆轰波波锋面的压力分别为3.93、4.61、4.69 MPa。     

连续旋转爆轰燃烧室增压特性的热力学分析

为了探究连续旋转爆轰燃烧室(CRDC)增压特性产生的根本原因,利用二维可压缩欧拉方程对正庚烷-空气CRDC进行了数值研究,从熵和自由能变化的角度对比了燃气轮机燃烧过程、等压燃烧过程、旋转爆轰燃烧过程和等容燃烧过程的差异,并分析了轴向尺寸对CRDC增压特性的影响。研究表明:对比等压燃烧过程,旋转爆轰燃烧过程熵增更小,吉布斯自由能损失更小,出口工质做功能力更强;但旋转爆轰燃烧过程增压能力远小于等容燃烧过程。轴向尺寸越小,旋转爆轰燃烧过程中经斜激波作用的工质比例越小,吉布斯自由能损失越小,CRDC的增压能力越大。当轴向尺寸由200mm逐渐减小至100mm,CRDC的热效率始终保持在99%以上,增压比由1.8279提高至2.2167,吉布斯自由能减小量由5067.1kJ/kg降低至4914.6kJ/kg,然而等容燃烧过程增压比为6.1467,吉布斯自由能减小量为4192.2kJ/kg,两者仍有较大差距。     

基于OpenFOAM的三维H2/Air连续旋转爆轰流场数值模拟

为进一步研究旋转爆轰流场特征,基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM,采用9组分19步的基元化学反应模型,对H2/Air连续旋转爆轰流场进行了三维数值模拟,得到了旋转爆轰波稳定传播时燃烧室内部流场的详细结构,研究了燃烧室头部激波的传播特性,分析了旋转爆轰燃烧室的压力增益性能。结果表明:旋转爆轰波后的第一道反射激波在由燃烧室外壁面向内壁面传播过程中反射激波的高度增加并在靠近内壁面附近与滑移线交汇形成局部高温高压区域;旋转爆轰波在外壁面位置处相位约落后于内壁面0.003rad～0.15rad,其相位差随燃烧室曲率差的增加而增大;燃烧室头部反射激波数目受到曲率差和进气总压的影响,燃烧室曲率差增大,反射激波数目减少,进气总压增大,反射激波数目增多;燃烧室压力增益保持在0.3以上,在进气总压一定的条件下,压力增益随着燃烧室曲率差的增大有增加的趋势。研究结果揭示了三维旋转爆轰流场的精细结构和燃烧室头部激波的传播规律。     

连续旋转爆轰燃烧室的性能

利用二维可压缩欧拉方程数值研究了当量氢气/空气在连续旋转爆轰燃烧室(CRDC)中的流场情况,主要考查了不同CRDC周向尺寸下燃料入流总压对增压比、燃烧效率、容积热负荷及其NOx排放等性能的影响.结果表明:当CRDC周向尺寸为150mm时,随着燃料入流总压的提高,增压比基本保持不变,燃烧效率和容积热负荷均呈线性增长;当CRDC周向尺寸为250mm时,随燃料入流总压的提高,爆轰波头数加倍,容积热负荷仍呈线性增长,但是增压比及燃烧效率均出现转折性下降.与传统的等压燃烧室相比,CRDC具有更高的性能.当计算域为250mm×40mm时,增压比高达2.706,大大提高了燃气的做功能力;容积热负荷达到2.18×1010W/m3;而NOx排放质量浓度为0.692mg/m3,保证了低排放的要求.      

燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响

为了研究旋转爆轰发动机燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响,采用守恒元和求解元(CE/SE)方法对带化学反应的汽油/富氧空气两相旋转爆轰理论模型进行求解,获得了气液两相旋转爆轰流场结构,并分析了燃烧室轴向和周向长度对燃烧室流场、爆轰波传播特性以及发动机推力性能的影响。计算结果表明:轴向长度对燃烧室上游流场影响甚小,却对下游流场参数影响较显著。随着轴向长度增加,燃烧室出口压力、温度、密度以及周向速度均降低,轴向速度则逐渐增大,同时发动机平均推力密度和燃料比冲先增大后减小。当周向长度过短,燃烧室内难以形成自持传播的爆轰波,随着周向长度增加,上游爆轰波强度增加,对应的流场参数均有所增大,但发动机推力性能略有所降低。     

连续旋转爆轰波在无内柱圆筒内的数值模拟

在对同轴圆管内的连续旋转爆轰的已有研究成果进行总结分析后,提出无内柱的连续旋转爆轰的燃烧室模型.利用结合了一步化学反应模型的圆柱坐标系下的Euler方程三维数值模拟了在这种燃烧室内爆轰波的传播行为.数值结果表明:爆轰波由初始起爆的单向传播最终自动收敛稳定到若干个典型爆轰波头的流场结构.在当前进气条件下,流量可以达到450kg/m2s,其基于反应物的比冲约为1900s.与同以H₂/Air作为燃料时同轴连续旋转爆轰发动机(RDE)燃烧室模型的2000s相比,基于反应物的比冲十分接近,但由于内部有可燃气以爆燃形式燃烧等原因,有5%的损失.      

当量比对连续旋转爆轰燃烧室特性的影响

为了探究当量比对甲烷-空气连续旋转爆轰燃烧室（CRDC）特性的影响,利用二维可压缩欧拉方程对CRDC进行了数值研究,分析了爆轰波的发展过程和贫燃熄火过程,对比了不同工况下CRDC特性参数的变化情况。结果表明:CRDC起爆后燃烧场在由不稳定状态到相对稳定状态的过程中发生了2次碰撞,当进气当量比较低时,CRDC未能完全发生2次碰撞过程就已经熄爆。随着进气当量比的降低,爆轰波传播速度、轴向平均速度、出口平均温度、出口平均总压均呈下降趋势;增压比随当量比降低而减小的根本原因在于旋转爆轰燃烧过程和等压燃烧过程的熵增差减小,使吉布斯自由能增量差减小。CRDC的燃料驻留时间处于亚毫秒量级,燃烧热效率保持在99%以上。      

旋转爆轰波中多波流动模式的数值研究

为了研究旋转爆轰燃烧室内复杂的波系结构,特别是爆轰波多波传播模式的影响因素,采用两步诱导-放热总包反应模型,对简化的二维旋转爆轰波进行数值模拟。在不考虑环形爆轰燃烧室曲率的情况下,研究了进口总温和周向尺寸对单波及多波流场结构的影响。结果表明,一定范围内进口总温的增加会使得爆轰波的波头数目增加,且双波流场结构中存在双波对撞和双波同向两种传播形式,双波同向传播和三波同向传播之间则稳定存在着两组双波对撞流场,且有对应的温度范围;对于双波对撞模式,持续减小周向尺寸能够使得流场结构转变成单波模式;周向尺寸的增加则会使得双波对撞向双波同向传播模式转变。     

旋转爆轰波与涡轮平面叶栅相互作用数值模拟

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压特性，可提高热力循环效率，因此将旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法，采用剪切应力输运k-ω湍流模型，建立旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模型，研究旋转爆轰燃烧室内的复杂波系与涡轮叶片的相互作用，分析涡轮叶栅对高频爆轰压力振荡的抑制作用。结果表明：旋转爆轰燃烧室内的燃气在涡轮叶栅内加速，并且在斜激波后的局部区域马赫数的增加更为明显。斜激波与涡轮静转子叶片的前缘、压力面、吸力面以及尾缘相互作用，由于旋转爆轰波不同的传播方向，使得斜激波与静子叶片呈相互垂直或平行，进而形成两种不同的波系结构。涡轮叶栅对高频压力振荡存在明显的抑制作用，涡轮叶栅上下游高频压力振荡幅值的衰减率达到80%以上。研究结果展示了旋转爆轰波作用下涡轮叶栅内复杂波系结构特征，并对基于爆轰燃烧推进技术的应用提供了一定的理论基础。     

初始缺陷尺寸分布的尺寸效应研究

疲劳结构可能的开裂区域面积不同引起结构可能萌生裂纹的初始缺陷尺寸分布各异是造成"疲劳尺寸效应" 的一个可能解释。研究了试样测试部分尺寸大小与萌生裂纹的初始缺陷尺寸分布的关系,并建立了分析模型。模型利用已知的小尺寸试样的初始缺陷尺寸分布和大小试样的开裂面积比,推导出了相同条件下未知大尺寸试样的初始缺陷尺寸分布。这为结构完整性研究以及基于小裂纹扩展理论大尺寸试样的耐久性分析和疲劳全寿命预测打下基础,并为进一步研究"疲劳尺寸效应"创造了条件。     

ZTA复合材料的热等静压研究

 研究了热等静压对Al₂O₃-ZrO₂复合材料机械性能的影响以及热等静压烧结过程中ZTA的致密化规律。经实验热等静压烧结的ZTA材料与相应的热压试样相比,其强度和韧性提高近一倍(σ_b=950MPa、K_lc=9.5MPa √m);在不同的烧结温度下,显示了不同的致密化规律,其致密人速率分别由晶粒滑动和点阵扩散机制控制。     

吸收剂颗粒尺寸对吸波材料性能的影响

对最佳的吸收剂颗粒粒度进行数值计算和分析。从趋肤效应和单个磁畴颗粒大小两个角度,以纯铁粉为例对最佳的粒度做了分析,结果表明,对于2~18 GHz的雷达波,铁粉颗粒在16 nm~1μm为好。还分析了利用纳米颗粒的量子尺寸效应来吸收电磁波时颗粒的尺寸范围,计算结果表明,此时颗粒尺寸至少应小于22 nm。     

新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究

对一种新型气动雾化喷嘴的喷雾特性进行了实验研究。该喷嘴的喷雾是由环缝射流和中心旋转射流剪切破碎中心燃油射流而形成。实验用二维激光测速测粒仪对喷嘴下游几个截面上气流和液滴的平均速度和脉动速度,以及液滴的粒度和浓度沿径向的分布进行了测量。研究了中心旋流强度对喷雾的影响。测量结果显示喷雾中心存在低速区和固体涡核,而喷雾边缘具有较高的速度。浓度呈空心分布。喷雾具有很大的湍流脉动。      

Y5B飞机冷气瓶半球拉伸波纹缺陷原因分析与改进措施

通过对Y5B飞机冷气瓶半球生产实际中出现的拉伸波纹质量问题的分析.找出了产生质量问题的原因,通过分析改进了施工方案,实践证实该方案经济可行.     

高反压下喷嘴雾化特性的理论探讨

 本文对高反压下正压力指数的喷嘴雾化特性的可能原因进行探讨。试验技术上采用高压封闭容器,引起小液滴回流会造成液雾测量上畸变。从机理上,本文提出两个因素:对空气雾化喷嘴,由强紊流脉动与液滴簇的相互作用可能引起不同尺寸液滴碰撞而凝聚;对压力雾化喷嘴,可能由于高反压下液体微团速度迅速衰减而使决定最终雾化生成的气动作用力比低反压时为小的情况出现,本文详细分析了后者情况,证明通常文献及书中普遍叙述“高反压下促进雾化的气动作用力增大”的论点,并不完全正确。     

纳米压痕实验微米级深度硬度下降现象的研究(英文)

本文针对均匀材料微米级压痕深度,分析接触深度、接触面积、载荷以及加载时间几种因素对实验数据的影响,结合有限元数值模拟,说明压头几何缺陷、接触深度与接触面积的处理并不是造成微米级压痕硬度随压深增大而下降的主要原因,最可能的原因是材料的蠕变特性。进行了不同最大压深实验显示连续刚度法(CSM)将强化蠕变特性对硬度曲线的影响,证明造成该现象的重要原因是纳米压痕实验的实验方法问题。     

可重复使用飞行器陶瓷瓦热防护系统尺寸优化分析

针对可重复使用飞行器陶瓷瓦热防护系统再入过程中防热和承载问题,结合有限元软件ANSYS建立热分析模型和结构模型,模拟再入过程中陶瓷瓦热防护系统防热和承载作用,预测内部瞬态温度响应。然后利用热模型和结构模型以及ANSYS软件优化模块对陶瓷瓦热防护系统尺寸进行优化,并且对比考虑内部热损耗和不考虑内部热损耗两种情况下的优化结...     

纳米金属氧化物气敏薄膜的最佳晶粒尺寸和介观效应

纳米金属氧化物气敏薄膜存在灵敏度的最佳膜厚l*和最佳晶粒尺寸r0*,其值与材料和工艺有关.最佳晶粒尺寸的存在是一种新的介观效应,它来自晶粒尺寸缩小到一定程度时反映吸附氧负离子的Fermi统计失效;根据当晶粒尺寸缩小到特征长度rm时晶粒将保持电中性的Kubo理论对Fermi统计公式进行修正,从而给出了最佳晶粒尺寸r0*=2rm的结果,并用Kubo理论电子逸出功公式估算了rm与r0*的数值.     

钝体后预混火焰稳定机理与钝体尺寸间关系的研究

为了进一步理解火焰稳定的详细机理,采用钝体作为火焰稳定机理的研究模型,详细分析了火焰根部流场特性对于火焰稳定的影响。研究了二维通道中不同尺寸V型钝体在不同进口速度下的反应流场,分析了预混煤油火焰根部特性。进口煤油和空气的当量比为Φ=0.6,进口温度300K,环境压力0.1MPa。结果显示在钝体分别为小尺寸、中间尺寸和大尺寸时,钝体后火焰根部特征、回流区特征和火焰根部位置随进口速度变化的规律都各不相同。当D=1mm钝体尺寸较小时,速度从0.4m/s增加到0.48m/s,一个火焰根部向下游移动4.5mm;当D=8mm钝体为中间尺寸时,来流速度从1m/s增加到5m/s,两个火焰根部首先向下游移动7mm,再向上游移动3.7mm;当D=32mm钝体尺寸较大时,来流速度从5m/s增加到25m/s,两个火焰根部均向上游移动2mm。