并联混合动力齿轮传动涡扇发动机建模与性能分析

为对比探究未来大推力航空混合动力系统与传统航空发动机的优劣,本文依托某概念型齿轮传动涡扇(Geared turbofan,GTF)发动机,设计了一个并联航空油-电混合动力系统(hybrid GTF,hGTF),在Matlab /Simulink数字仿真软件中建立相匹配的电动力模型以及氮氧化物NOx排放和噪声预测等性能参数计算模型,并在稳态和飞行任务剖面下初步分析了电动力系统的引入对原基线GTF发动机的性能改变状况。稳态仿真结果表明,大推力等级的并联油-电混合动力系统中,至少需要兆瓦级的电动力系统进行匹配;当电动力系统处于电动模式时,可能会带来低压压气机喘振的隐患;当电动力系统处于再生模式时,电能源相当于经过了电能到机械能再到电能的二次效率损失,不建议采用。飞行任务剖面动态仿真结果表明,相比于传统GTF发动机,hGTF推进系统的燃油消耗率最高下降15%,总燃油消耗节省8.3%, NOx总排放量减少18.8%,各部件起飞噪声总声压级减少1.5~3.3dB。分析结果表明采用并联混合动力系统具有显著提升省油、减排效果的能力,同时也具有一定的降噪潜力。     

"单回路"法及其在高速气体离心机取料器能耗测量上的应用

取料器能耗直接影响离心机的使用寿命和经济性,一直是国内外的研究热点和难点。而实际离心机中,取料器能耗混在整机能耗中,不能直接测量。为分离出Y．2型气体离心机轻、重组分取料器的能耗,提出了以“单回路”模拟双回路的试验方法,在实际离心机上进行改造,模拟实际运行工况,进行能耗实时测量;同时,为保证测量精度,引入微机数据自动采集系统,改进了测量装置。试验表明：“单回路”试验法进行能耗测量是可靠的,试验结果为强旋流场中理论模型的修正、流场计算和离心机取料器的优化设计提供了必要数据,该方法对其他类型离心机的优化设计也有很大的参考价值。     

电探针保护气体的优选原则

为了研究强冲击波作用下不同气体对电探针保护能力的差异,通过化爆加载实验分别观察了氦气、氩气和甲烷气体在不同冲击波强度下电探针电路的导通现象,实验发现冲击波马赫数在7.5～12.1范围内,氦气和甲烷气体均能有效地保护电探针,而氩气环境下的电探针电路产生提前导通现象。并用一维流体动力学理论分别计算了在相同的初始条件和3～8km/s范围内的六种不同飞片速度下氦气、氩气和甲烷的冲击状态参数。通过对这些状态参数和相关物性的分析,提出了电探针保护气体的优选原则。     

模型燃烧室中两相化学反应流动的大涡模拟

对带V型火焰稳定器的模型燃烧室中气液两相化学反应流动进行大涡模拟(LES),研究中采用了欧拉一拉格朗日方法。利用大涡模拟来研究气相流场,k方程亚网格尺度模型来模拟亚网格涡粘性。化学反应速率由亚网格EBU燃烧模型来确定,两步亚网格紊流燃烧模型被用来确定CO浓度,NO亚网格污染物生成模型被用来评估NO生成速率,辐射热量传递采用了热通量辐射模型。并在交错网格体系下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解,液相在拉格朗日坐标系下采用PSIC算法对其进行求解。通过大涡模拟,能得到气相和液相之间的质量、动量和能量交换。通过计算值和实验值的比较可知,出口温度和污染物成分浓度实验结果与计算结果吻合较好。因此采用大涡模拟方法来模拟两相化学反应流动和污染物生成过程是可行的。     

直升机用小型高压离心式风机的设计

针对直升机用离心式风机高压力、高转速和小尺寸的特点,进行了基本结构参数的分析与计算;利用 "可控涡"设计理论分析了气体在离心风机叶轮内的流动规律,讨论了气体涡分布对回转流面的影响,提出了气体涡选择的约束条件,详细设计了叶片的子午流面和回转流面型线,同时进行了通用性设计.实例表明,通过合理确定气体涡分布规律来设计叶片型线,可有效提高风机的效率.      

气体二次喷射推力向量控制数值仿真

采用基于Favre平均的三维N-S方程和k-ε湍流模型对固体火箭发动机气体二次喷射推力向 量喷管复杂干扰内流场进行数值模拟;采用三阶精度空间差分格式和隐式Jacobi时间点迭代 方法进行求解;借助数值模拟技术对气体二次喷射推力向量喷管方案进行了初步探索,研究 了不同喷射条件对气体二次喷射流场特征及侧向控制力的影响作用;研究表明,二次喷射气 体喷射孔位置、总温及总压等因素对侧向力影响具有耦合作用,合适的喷射孔位置和高温燃 气以及较大喷射总压都能有效增加侧向力及向量角;燃气二次喷射系统具有较高的效率;侧 向力随二次喷射流总压增加而线性增大.      

大型客车柴油燃料生命周期分析

以实施第1及第2阶段限值后的大型客车为对象,对车用燃油从原油开采、运输、炼油WTT(Well-to-Tank)到车辆使用TTW(Tank-to-Wheel)等多个环节,即燃料生命周期WTW(Well-to-Wheel)内的能量消耗和温室气体排放进行了定量分析,WTT阶段的分析使用了有关统计数据,TTW阶段的分析采用了试验数据.结果表明:WTW阶段的能量消耗和温室气体分别是TTW阶段的1.151倍和1.153倍;WTT阶段各环节的能量消耗占总能量消耗的比例分别为6.7%,0.42%,6.1%,温室气体排放占总排放的比例分别为1.92%,1.42%,9.97%;大型客车第1阶段燃料消耗量限值的实施可降低12%的能量消耗和11.8%的温室气体排放;第2阶段燃料消耗量限值的实施可降低16.93%的能量消耗和17.67%的温室气体排放.     

氮气辐射强度的激波管测量与验证

超高速飞行器的热防护设计必须考虑激波层内高温气体发射与吸收的辐射能量,需要有效的辐射加热评估手段。相应飞行条件下的光谱辐射强度地面实验测量是验证数值模型和方法、理解高焓流动的重要手段。基于燃烧驱动激波管,发展辐射强度标定技术,针对富氮气环境,开展高温气体光谱辐射强度的高分辨定量化测试,掌握辐射特征,为数值验证提供基础数据。实验获得了激波速度5.70和6.20km/s条件下的气体光谱辐射强度精细结构,数据表明激波波后的非平衡过程对辐射强度存在很大影响。通过求解耦合化学反应动力学模型的Navier-Stokes方程和辐射特性模型,得到对应实验条件下的流场参数和辐射强度,计算结果和实验数据符合很好,验证了数值模拟方法。     

散射对高温气体-碳黑颗粒混合物辐射传输的影响

基于全光谱k分布(Full spectrum k distribution,FSK)模型、MIE理论和有限体积法(Finite volume method,FVM),构建了均温、均质辐射参与性气体-碳黑颗粒混合物介质热辐射传输模型,并分析了碳黑不同尺寸、不同体积浓度以及介质不同路径长度和不同温度条件下,因忽略碳黑颗粒散射所导致的介质热辐射传输特性(如辐射热流、辐射源项)的计算误差。研究结果表明:体积分数不变,增大粒径,计算误差呈现出先增大后减小的趋势;数密度不变,增大粒径,或者粒径不变,增大体积分数,均将使得计算误差相应增大;粒径、体积分数不变,增大路径长度,或者升高介质温度,均将增大计算误差。通常对于含有大颗粒、高碳黑浓度的辐射参与性气体-碳黑颗粒混合物介质,碳黑颗粒散射不能忽略。     

固体推进剂燃烧气体摩尔数测试

以GJB 770B—2005方法702.1《气体比容压强传感器法》为基础,提出一种推进剂燃烧气体摩尔数的测试方法。利用高压差示扫描量热仪(HPDSC 8270)实验确定了水在不同压强下的汽化温度,通过提高测试工作温度(从室温提高到250℃)使燃烧产物中的水以气相存在,解决了原有测试方法中液体水质量单独测试引入的过程误差;实验中,冷却前后燃烧器中气体摩尔数之差为样品燃烧后气体中水和HCl的摩尔数之和;对于含硼富燃料推进剂,通过测试燃烧生成的水和HCl的摩尔数之和,能够为以实验结果为约束条件的含硼富燃料推进剂热力学计算提供必要的参数支持。