管内受热气体层流流动热不稳定性理论研究

1前言流体的物性参数在温度发生变化时其动力粘性系数、导热系数也要发生变化。这一特性对换热特性可能有较大的影响．现有的换热器中对流换热计算中考虑流体变物性的影响，都是先假设常物性进行计算，然后再按照近似经验公式进行修正＊．事实上，由于变物性的影响，流体的对流换热可能会出现新的规律，完全不同于常物性下的情形。对于气体而言，其密度随温度升高而减小，动力粘性系数、导热系数随温度上升而增大，变物性效应将更加明显。这是因为对管内受热气体流动，密度减小、动力粘性系数增大都将导致摩擦损失增加，导致质量流速减小，…     

粗糙阴极气体火花开关性能的理论研究

提出了粗糙阴极的气体火花开关击穿模型,通过粗糙层厚度和场强增强系数对阴极粗糙度进行了描述,利用概率论研究开关的击穿情况,分析了气体压强对粗糙阴极气体火花开关稳定性、击穿场强随气压的变化曲线以及开关绝缘恢复速度的影响,研究发现当阴极相对于电子平均自由程足够粗糙时,开关具有最佳的稳定性,当阴极粗糙结构尺度与电子平均自由程相当时,开关具有最佳的绝缘恢复特性。     

翅片管式熔盐—气体换热器传热性能的实验研究

对一台翅片管式熔盐-气体换热器进行了传热性能实验。实验热介质为混合硝酸盐,冷却介质为空气。利用修正的威尔逊法获得了熔盐在空气冷却边界条件下的管内流动传热准则关系式,该关系式适用于2378Re12075,10.5Pr11。本文对换热器传热过程中的热阻进行了对比分析,分析结果表明,管程熔盐的对流传热热阻对该换热器传热性能的影响基本可以忽略不计,翅片管的导热热阻和壳程气体的对流传热热阻是影响该换热器性能的两个重要影响因素,并且随着气体流速和换热系数的提高,翅片的导热热阻将会逐渐成为影响换热器性能的最主要因素。     

燃烧室出口辐射对气膜冷却传热影响研究

燃气轮机高温透平中包含对流/导热/辐射等复杂传热现象。本文依托高温流热固耦合实验台,提出燃烧室与透平联合计算的方法,采用数值模拟和实验对比的方式分析了平板气膜冷却的对流/导热/辐射传热特性。同时研究了不同燃气吸收系数以及不同进口辐射条件对于平板气膜冷却的表面温度分布的影响。结果表明:辐射传热是燃气轮机首级高温叶片传热特性的重要影响因素,辐射传热使得实验平板温度抬升50～70 K,燃烧室/透平联合计算方法有效地分析了燃烧室出口辐射强度对高温平板气膜冷却辐射传热的影响;高温燃气辐射特性对于平板温度分布具有明显影响。     

Tesla型脉冲功率源主开关绝缘恢复特性

 以Tesla变压器作为脉冲功率源,采用双脉冲法,对4 mm间隙、4 MPa压强的氮气开关绝缘恢复特性进行了实验研究。实验开关电极材料为紫铜,形状为环形。结果表明:在开关放电结束后约0.3 ms内,开关几乎处于导通状态,属于火花通道去电离阶段;而后其绝缘恢复系数以指数曲线上升,直至约3 ms后完全恢复,属于气体温度恢复阶段。Tesla变压器使得高压氮气火花开关的绝缘恢复曲线分段特征更为明显,由于火花通道去电离前其电阻对变压器次级电容呈并联关系,对变压器次级充电有旁路作用。     

非能动传热球床堆有效导热系数的壁面效应分析

本文针对非能动传热机制下简单立方球床堆有效导热系数进行了数值研究,根据有效导热系数的空间分布特性,对球床堆的近壁面区域和主体区域作了划分;分析了不同非能动传热机制下的有效导热系数的壁面效应;最后分析了导热、辐射和自然对流对近壁面和主体区域有效导热系数的贡献。结果发现,近壁面区域是在壁面附近一个球径范围内的区域;由于辐射和自然对流的影响,相同温度下近壁面有效导热系数比主体区域的有效导热系数小了近15%。当温度分别超过950 K和1080 K时,辐射成为球床堆主体区域和近壁面区域的主导传热机制;自然对流对有效导热系数的贡献并不大,当温度超过600 K时,自然对流可以忽略。研究结果可以为高温球床堆的设计与优化提供理论基础。     

吹气对氮气火花隙开关重复频率运行性能的影响

 基于紧凑重复频率Tesla变压器实验平台,运用设计加工的紧凑型内部气流循环式火花隙开关,对吹气提高火花隙开关重复频率运行性能进行系统的实验研究,结果表明：重复频率小于50 Hz时,火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于5%,不需要吹气;在给定吹气速度下,火花隙开关重复频率运行存在临界重复频率;火花隙开关重复频率运行存在最佳吹气速度,且最佳吹气速度与重复频率之间满足线性关系,并可由实验确定;在优化吹气速度条件下,当气压处于0.7~1.5 MPa范围时,该火花隙开关击穿电压不稳定度(RMS)小于3%;在2.0 MPa的压强范围内,该吹气式火花隙开关可稳定工作至重复频率300 Hz,击穿电压400 kV。     

高温多组分工况下气膜冷却及TBCs传热特性

煤基联合循环电站系统的燃气轮机透平将会工作在高温高湿的环境中。文中基于高温多组分气膜冷却试验台,分析在高温气膜冷却系统中导热/对流/辐射多场耦合作用机理.研究表明,高温环境下辐射作用不可忽略,不同的高温气体组分将对透平传热产生影响;随着主流高温燃气中水蒸气和二氧化碳体积分数之和每增加7%,平板上表面中心线总体冷却效率降低约0.02;TBCs在各组分工况下都有明显的温降效果,且燃气的水蒸气含量越高,温降效果越明显。由于辐射在高温高湿工况下的综合作用,在透平的设计中必须综合考虑不同燃气组分在导热/对流/辐射耦合作用下的气膜冷却传热机理。     

吹气抑制气体热效应时管道结构对光传输的影响

 采用吹气抑制气体热效应对光传输的影响时，管道结构会对内通道流场分布产生作用从而影响光传输质量。对比研究了沿几何尺寸相同、光路总长相等的U形和Z形管道轴向吹气的情形。仿真过程中，联合求解标量衍射方程和N-S方程,计算管道对吹气流场的影响以及流场对光束的影响，以远场光斑的峰值功率密度点、能量分布重心点位置的偏移以及Strehl比和b值的变化反映光束质量。结果表明:不吹气时，管道结构对流场的影响远小于气体吸热对流场的影响；吹气时，管道内气体流速较大，管道结构对流场分布的影响比较明显；吹气时，U形管道对光束的影响比Z形管道对光束的影响要小。     

不同材料薄壁微球结构低温冷却特性数值模拟

为了研究重力效应以及材料物性对球壳内工质冷却过程的影响,获得球壳内均匀的温度场,对球壳冷却过程进行传热分析,并建立了球壳冷却过程的二维旋转轴对称模型,对该非稳态的冷却过程进行数值仿真。研究表明,在工质没有发生相变的冷却过程中,自然对流速度非常小,重力效应对球壳内温度场的影响非常微弱,可以忽略不计;而对于材料的物性影响,根据引入的定义,比热容和密度对冷却时间的影响分别是导热系数影响程度的25.2倍和66.5倍,因此比热容和密度是影响冷却特性的主导因素,而导热系数的影响较小可以忽略;对于不同材料的球壳,单位体积热容小的材料会得到更好的冷却效果。     

Factors affecting and methods of improving the pulse repetitionfrequency of pulse-charged and DC-charged high-pressure gasswitches

The results of this paper describe some of the factors which affect the repetitive operation of high-pressure gas switches (spark gaps) for both pulse-charged and DC-charged operation. Also discussed are methods which may be employed to improve the pulse repetition frequency (PRF) of spark gaps operating under such conditions. Under pulse-charged conditions, the voltage recovery process of the spark gap has been shown to be restricted following partial density recovery by the residual ion population. This restriction may be minimized by applying a suitable bias voltage across the gap to remove the ion influence. It is also possible to manipulate the voltage-pressure (V-p) breakdown characteristic of a spark gap in order to improve the rate of rise of recovery voltage by reducing the recovery voltage dependence upon gas pressure. The combination of these effects has been shown to reduce the voltage recovery time of pulse-charged spark gaps from several hundred milliseconds to several milliseconds. Under DC-charged conditions, where no “dead time” is available for voltage recovery, it is possible to employ corona discharge effects, which occur in highly nonuniform fields, to stabilize and control the breakdown process. The use of corona stabilization has enabled the operation of a self-closing spark gap at a PRF of more than 5 kHz, without employing gas flow techniques. A triggered version of a corona-stabilized spark gap has also been developed which has demonstrated single run capabilities of 10⁷ (4 h continuous operation at 700 pps) and a lifetime of ~10 shots (maintenance free, sealed switch). The triggered corona switch has also demonstrated controlled switching up to a PRF of 1.2 kHz     

开关火花电阻对脉冲前沿的影响

 分析气体火花开关的电阻特性是研究开关能量损耗、电弧通道的热等离子过程、开关间隙绝缘恢复及输出脉冲特性的重要基础。基于气体开关的导通机理,建立了开关导通工作的电路模型,给出了与形成线、传输线联通的开关等效电路和开关电流表达式,分析了开关电感、电阻对电流增长（脉冲前沿）的影响。研究结果表明：对于大间距、高电压气体开关,火花电阻是影响开关输出脉冲前沿的主要因素。     

触发电压对±100 kV多级多通道开关性能的影响

 研制了一种用于快脉冲直线型脉冲变压器的±100 kV多级多通道火花开关,研究了触发电压极性、幅值对多级多通道火花开关触发性能的影响,分析了不同触发电压下开关各部分延时及抖动。研究结果表明：触发电压的极性对双极性多级多通道火花开关触发性能影响较小;开关的触发放电延时和抖动随着触发电压的增大而减小。进一步分析了多级多通道火花开关的触发击穿模式以及影响开关击穿延时和抖动的主要因素,提出了减小开关触发击穿延时及抖动的技术途径。     

三电极气体火花开关导通电流及其电磁辐射特性

针对三电极气体火花开关工作时产生的强电磁辐射,首先对开关的导通电流及其电磁辐射进行了理论分析,利用CST电磁仿真软件对气体火花开关开展了静电场仿真研究,分析了开关短程导通时的击穿场强;其次对三电极气体火花开关的导通电流和远场辐射场强进行了实验测量,对实验结果进行分析和总结;最后采用电磁屏蔽方法对开关的强电磁辐射进行了有效抑制。研究结果可以为有关脉冲功率装置的电磁辐射及防护提供参考和借鉴。     

气体开关对多级脉冲形成线输出波形的影响

为了提高脉冲形成线的输出耐压,采用组叠的方式将多个单级脉冲形成线进行串叠,可实现脉冲功率系统的小型化设计。基于多级薄膜介质线脉冲形成叠加技术,研究了气体火花间隙开关对多级脉冲形成线输出波形的影响。介绍了开关的设计原则,分析了开关抖动、开关电感、开关电阻对多级脉冲形成线输出特性的影响,并且从实验上研究了开关的导通特性对脉冲形成线输出波形的影响。实验结果表明:开关抖动会引起脉冲输出波形平顶时间减小,并且开关触发抖动会引起绝缘介质上的过电压条件,从而影响系统的绝缘设计;开关电感会使脉冲前沿变缓,平顶宽度变窄,后沿存在扭曲变形,存在拖尾现象;开关电阻的存在会降低输出效率。     

气体火花开关重复频率特性的实验研究

气体火花开关在重复频率脉冲功率技术中具有广泛的应用,影响气体火花开关绝缘恢复与重复频率工作性能的因素众多。实验研究了气体火花开关的能量沉积和气压对开关重复频率指标的影响,给出了气体火花开关绝缘恢复时间与气压及开关导通功率的关系式,初步分析了气体开关击穿通道在自然散热(不吹气)条件下,重复频率稳定工作的最高功率与重复频率指标、气压的关系。     

氮气火花开关击穿机制的理论和数值研究

三电极气体火花开关带有触发极,相比两电极开关,其开关导通的可控性较高,工作电压较低且抖动小,所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛.本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究.通过理论和数值计算发现,对于平板-平板的两电极开关来说,低电压下(小于6.3 kV)无法产生流注击穿,高电压下(大于6.3 kV)会先形成由阴极到阳极的负流注,然后再形成由阳极向阴极的正流注.而在三电极开关的击穿过程中,首先会在触发极和绝缘体之间发生击穿,然后这个通道不断向阴阳极扩展,最终形成阴阳极之间的电弧通道.在本文的计算工况下,如果需要阴极-触发极、阳极-触发极同时击穿的话,其阴极-触发极之间的外加电压需要大于1.18 kV,而阳极-触发极之间的外加电压需要大于3 kV.当考虑触发极的场致发射后,该击穿阈值可以显著降低.