固体燃料空气涡轮火箭发动机方案和技术研究

针对固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)的工作特点,提出了双燃气发生器的加力工作模式,并根据总体性能要求确定了部件的工作参数。主要采用数值模拟和实验研究相结合的手段,分别针对压气机和涡轮部件开展了气动设计和增压装置集成,获得了工作特性,并完成了增压系统工作特性的冷流实验验证。开展了考虑涡轮后低温旋流条件下多股气流的高效掺混燃烧研究,通过研究涡轮转速、空气入射角度、补燃室富燃燃气流量和富燃燃气射流位置对燃烧效率的影响,确定了原理样机和关键部件的恰当形式和布局方式。最终开展了原理样机的地面热试实验,验证了双燃气发生器的SPATR发动机的工作原理,热试实验结果表明燃气涡轮增压装置工作可靠,性能满足设计要求,其中压气机压比达到了3.3,转速为82kr/min,补燃室燃烧效率为85.21%。     

喷前压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响

为研究液体火箭发动机供应系统压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响,进行了撞击式喷嘴的动态雾化实验。通过脉动装置在喷嘴供应系统上施加不同频率和幅值的周期性压力脉动,利用两套高速摄影系统分别获得了动态雾化图像和雾场横截面上的散射光强,以此分析了撞击式喷嘴对喷前周期性压力脉动的响应频率和响应幅值范围及其对平均雾化角度的影响。结果表明,在研究的脉动频率范围内(0~4050Hz),当喷前压力脉动幅值大于某一阈值后,雾化出现了明显的周期性质量聚集现象,其频率与喷前压力脉动的频率相同。脉动幅值增加,散射光强度的振荡幅值也增加,参与混合燃烧过程的介质流量振荡幅值加剧。平均雾化角度受脉动频率和幅值的影响都较小,变化范围处在均值的±4%以内。     

补油距离和燃油配比对两级脉冲爆震发动机预燃裂解的影响

两级脉冲爆震发动机中,预燃室内煤油预燃裂解的效果对共振腔内起爆效果和可靠性有重要影响。基于稳态扩散火焰面模型,对预燃室中煤油预燃裂解的效果进行了数值仿真,讨论了补油距离d和燃油配比R对预燃裂解效果的影响,以期为进一步的预燃室设计和实验研究提供参考。计算结果表明:补油距离d主要通过影响反应物的驻留时间来影响反应产物的生成,d越大,第二级喷油位置距离预燃室出口越近,驻留时间越短,各主要活性组分产量越低;燃油配比R则同时影响预燃室内的温度和反应物的驻留时间,R越大,各主要活性组分含量越低;温度过高时不利于较稳定的活性组分产生。由此建议补油喷嘴应尽量远离预燃室出口,最佳燃油配比为3~5。     

敞口式离心喷嘴内部流动特性的试验及模拟

为了研究敞口式离心喷嘴内部流动特性,包括填充过程及结构参数和工作参数对流量系数及液膜厚度的影响,对7个不同切向孔直径及长径比的喷嘴展开了试验和数值模拟。采用高速背光对透明敞口式离心喷嘴进行光学测量,喷注压降从0.1~0.8MPa,结合数值模拟研究了旋流室内液膜的填充过程,捕获了空心涡形成及发展过程,得到了敞口式离心喷嘴液膜厚度和流量系数随结构参数及工作参数的变化规律。研究发现几何特性参数越高,液膜厚度、流量系数和质量流量越低;低压降时流量系数随喷注压降升高而略微增加,当喷注压降达到临界值0.4MPa后,流量系数和液膜厚度几乎不变,最大波动分别为1.1%和6%。综合考虑工作参数及结构参数,拟合流量系数及质量流量经验公式,最大偏差皆不超过10%。     

典型阶梯篦齿高转速密封性能试验

在高转速密封试验设备上,进行了实际尺寸阶梯篦齿压比(1.05～28)、相对密封间隙(齿尖密封间隙和齿宽比)(24～40)、泄漏流雷诺数(1900～28000)及旋转速度(0～12000r/min)等对密封性能影响的试验。结果显示:篦齿流量系数随压比变大而上升,随相对密封间隙变大而降低;转速低于5000r/min时,旋转对篦齿流量系数影响不明显,高转速、小压比时,篦齿流量系数随转速的升高而降低,降幅超过301%;较小雷诺数下,篦齿流量系数随雷诺数的减小快速降低,雷诺数超过6000以后,篦齿流量系数受雷诺数的影响不明显;气流通过阶梯篦齿第一道齿的压力损失最小,通过最后一道齿的压力损失最大,通过中间各齿的压力损失相当。基于试验测试数据,修正了典型阶梯篦齿流量系数的求解关系式,修正后的关系式计算值与实测值吻合良好。      

复合材料螺旋桨的加厚及预变形设计

为有效利用复合材料螺旋桨的轻质和弹性特点,对螺旋桨做了加厚处理,在保证水动力性能的前提下,加宽空泡斗以增强螺旋桨对不均匀流场的适应性,在结构上还会增加复合材料桨叶的强度。采用稳态流固耦合算法,对优选出的加厚桨进行了45°和-30°两种复合材料铺层角度下的流固耦合计算,采用预变形设计方法,计算了不同工况下的敞水性能、型值参数和变形。设计工况下,在复合材料螺旋桨变形的反方向施加预变形量,受力后可变形至原桨的形状,水动力性能也与原桨相当,而在非设计工况下,实现了复合材料螺旋桨的水动力性能改善。     

质子交换膜燃料电池用增强型复合膜性能研究

用流延法制备增强型NaIion／PTFE复合膜,用电子扫描显微镜（SEM）观察膜,测试了膜的溶胀率、机械强度及质子传导率测试和单体电池性能,并与市售Nafion0膜进行比较。研究表明：流延法制备的Nafion／PTFE复合膜致密性好,（23±2）℃和（i00±2）℃恒温水浴条件下,Nafion／PTFE复合膜体积溶胀率分别仅为Nafion0212膜的30％,70％,Nafion／PTFE复合膜的最大拉伸强度较Nation212膜高52％,H2渗透率较Nafion0212膜高14％～25％;Nafion／PTFE复合膜的放电电压高于Nation0211膜,当电流密度为1000mA／cm。时,Nafion／F’T—FE复合膜单池放电电压为0．714V,较Nafion0212膜高8％,能满足质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用要求。     

雾化锥角对喷雾在横流中蒸发掺混的影响

通过数值模拟方法研究了雾化锥角对蒸发的喷雾液滴群在横流气体中掺混特性的影响,寻求强化掺混和提高温降效果的雾化锥角。提出了评价掺混水平的方法,在与实验吻合的基础上,获得了40°、60°、80°、90°和100°雾化锥角下气相温度的概率分布函数规律、流场结构和两相掺混度曲线。结果表明,随雾化锥角增大,温降效果提高,而掺混度先增大,雾化锥角90°时达到最大值,继续增大雾化锥角,掺混度降低;小雾化锥角时产生对称多涡对结构,在一定区域内促进掺混,而较大雾化锥角时产生混乱的多尺度涡结构,有利于整个掺混截面的温度均匀分布;综合考虑掺混度和温降效果,90°～100°为优化喷雾雾化角。     

PEMFC流道结构研究现状及发展趋势

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)被认为是提高小型无人机续航能力的最有前景的动力源,也是未来绿色航空发展的方向之一,它的性能决定了无人机的任务能力.双极板是PEMFC中的关键组件,其中流道结构更是决定着PEMFC的水热管理、质量输运和电流密度分布,深刻...     

汽车超车过程的空气动力特性研究

采用稳态和瞬态两种方法,对两辆车超车过程中外部流场的空气动力特性进行了数值模拟研究。采用网格变形和局部网格重构相结合的动网格技术,并耦合刚体动力学方程和PISO算法实现了汽车超车过程的三维瞬态数值模拟。通过稳态和瞬态计算,探讨了超车过程中两车纵向相对位置对气动特性的影响以及气动力对汽车行驶稳定性的影响。研究发现超车过程中被超车的阻力、侧向力和横摆力矩都有最大值,并找出了其变化规律。通过对稳态与瞬态计算结果的比较,可以看出:本文采用的瞬态模拟方法能够充分捕捉超车过程中的动态效应,优于传统的稳态模拟。