采用渐变微小通道的RBCC引射火箭复合冷却数值模拟研究

引射火箭是火箭基组合循环(RBCC)发动机重要组成部分,为RBCC发动机提供大推力的同时承载极高的热载荷。本文设计了火箭推力室复合冷却结构,采用再生和液膜冷却相结合的方式对火箭喉部进行冷却,再生冷却通道在收敛段和扩张段的宽度从微尺度到小尺度渐变分布。采用数值模拟的方法研究了该复合冷却结构耦合传热特性。结果表明:渐变微小通道的设计能够强化喉部换热,液膜冷却能够大幅降低入口及下游热流密度,有效控制壁温。     

基于冲击冷却的RBCC引射火箭局部热防护数值模拟

引射火箭能够为火箭基组合循环(RBCC)发动机提供大推力,但是其喉部面临着极高的热载荷。本文提出使用冲击冷却的方式对引射火箭进行局部热防护,建立了射流冲击冷却的三维数值模型,研究了喉部曲率半径和冲击孔数量对冷却性能的影响,结果表明在设计半径R=(1~2)R_t范围内,R的取值对射流冲击换热无明显影响;靶面平均对流换热系数随冲击孔数量n的增大而减小,分布均匀程度随n先增大后减小,冲击孔数量n=6时换热效率最高。     

涡流管性能的热力学分析

涡流管是一种新型的能量分离装置,热力学参数和几何参数对其的性能影响很大。该文依据热力学第一、第二定律,建立了涡流管能量分离过程热力学模型,将不可逆过程可用能损失归结为热量火用收益和压力损失两部分,获得了一种基于热力学火用分析的涡流管性能优化新途径。结合不同进气压力、喷嘴数和冷端出口直径的涡流管能量分离性能实验,得到上述诸因素对涡流管能量分离过程中火用变化的影响,通过对能量分离过程中热量火用收益和压力损失的比较,实现了涡流管能量分离性能的优化设计。     

换热器预冷的空气涡轮火箭性能分析研究

为了准确地分析以不同燃料为冷质的换热器预冷空气涡轮火箭发动机的性能,本文建立了可考虑工质组分化学平衡与工质热物性随温度和压力变化的热力循环模型。利用该模型分析了以LH2、LCH4和煤油为燃料的发动机循环性能,研究了预热温度、燃气发生器和主燃室出口温度对循环性能的影响。结果表明,换热器预冷能够降低压气机进口温度,减小相同增压比下的压缩功,提高燃料温度,减小推进剂流量,从而减小燃空比,增加比冲;燃料预热温度的提高可减小燃气发生器氧燃比,进而减小燃空比、增大比冲;较低的燃气发生器和主燃烧室出口温度可降低燃空比,提高比冲,但会造成单位推力的下降。同时,研究结果还表明,与LCH4和煤油相比,LH2的比热容与热值的比值最大,采用LH2预冷的发动机的飞行速度和比冲的增幅也最大,说明比热容与热值的比值越大,相应的预冷效果越好,即可依据燃料比热容与热值的比值定性衡量发动机的预冷效果。     

一种基于分析的火电机组热力系统性能劣化诊断方法

及时检测和跟踪热力设备和系统的热经济性能劣化趋势,准确开展设备健康与能效状态预警对火电机组节能诊断和运行优化具有重要意义。本文基于分析方法研究了热力设备性能劣化产生机理和影响因素,建立了热力设备和系统的热经济性劣化模型;分析了不同工况和边界条件下,设备固有损失和附加损失的影响因素和相互作用机制;以某660 MW超临界空冷机组为案例,开展了性能劣化模型验证和系统热经济性诊断。结果表明,根据固有损失、附加损失和内部参数的变化,可有效检测和诊断设备、过程和系统的热经济性能劣化状态,为热力系统运行优化、故障预警与状态维修提供理论依据。     

改质缸当量比对缸内热化学燃烧模式稀燃天然气发动机燃烧性能的影响

本文基于一台PFI增压稀燃点燃式天然气发动机,在其第四缸进气歧管处加装甲醇液体燃料喷嘴用以加浓第四缸(改质缸),发生缸内热化学燃料改质(TFR,Thermochemical fuel reforming)反应,再将改质缸排气直接引入发动机进气总管,以实现稀燃天然气发动机性能优化。本文研究了改质缸当量比(ΦTFR)对缸内热化学燃料改质过程的影响及对整机燃烧和性能的影响。研究结果表明:随着ΦTFR的增加,改质过程产生的H_2和CO含量显著增加,发动机缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值增加,缸内燃烧温度增加,放热相位提前,火焰发展期和快速燃烧期缩短,发动机工作稳定性增强,同时燃料消耗率降低,有效热效率增加,并且随着Φ_(TFR)的增大,H_2和CO增多,拓宽了TFR稀燃天然气发动机的稀燃极限,有效降低燃烧温度,使得具有降低NO_x排放的潜力。     

用于高温太阳能光热发电的S-CO_2循环优化研究

在高温太阳能光热发电的应用背景下,本文研究了引入压缩机级间冷却的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环改进构型的性能提升潜力;在建立热力学模型的基础上,利用遗传算法对改进构型进行了参数优化,并在基准工况下与典型再压缩循环进行了性能对比;基于图像分析方法揭示了压缩机级间冷却提升循环性能的机理。结果表明:对再压缩S-CO2循环而言,引入主压缩机级间冷却将可能提升循环效率,改善循环性能,而再压缩机级间冷却的引入则无益于循环性能的提升。级间冷却式再压缩循环性能提升的主要原因在于冷源放热损失与高温回热过程耗散的降低。基准工况下,改进构型循环比功最高可提升22.87%,循环热效率与循环效率最高可分别提升2.767%与3.389%。     

基于品位的成本分摊方法及其应用

成本分摊方法是热经济学建模的重要组成部分,现有的成本分摊方法较少考虑能量品质变化对能量单位成本的影响,不符合优质优价的原则。本文通过分析能量利用过程中品位变化,建立了单位成本与值的函数关系,提出一种新的成本分摊方法。利用该方法对热电联产系统成本计算,并与常规分摊方法对比,热的单位成本由原来的2.66kW/kW降低到1.76 kW/kW,电的单位成本由原来的1.79 kW/kW升高到2.27 kW/kW,新方法体现了优质优价的原则,更加真实反映了热电成本。此外,在新方法基础上研究了主要设计参数对热电成本的影响,提高压气机及透平效率均可降低热电成本。该方法可用于多联产系统的成本计算和性能评价。     

生物柴油发动机非常规排放的FTIR检测

采用傅里叶变换红外光谱FTIR,研究了汽车发动机燃用生物柴油的非常规排放物。所用燃料分别为纯柴油、纯生物柴油、生物柴油掺混比为20%的B20混合燃料。结果表明,该机燃用纯柴油和B20燃油的甲醛排放差别不大,纯生物柴油的甲醛排放则明显高于柴油。燃用B20燃油的乙醛排放略低于纯柴油;纯生物柴油的乙醛排放在中低负荷低于纯柴油,在高负荷时高于柴油及B20燃油。燃用B20燃油和纯生物柴油的丙酮排放要高于柴油,但排放量均较低。随着生物柴油掺混比例的增加,发动机甲苯和二氧化硫均呈逐渐下降趋势,纯生物柴油的二氧化硫排放大幅降低。燃用生物柴油后,发动机的二氧化碳排放有所降低,表明了生物柴油有利于温室气体的控制。     

双转子涡喷发动机气动性能优化控制研究

航空发动机的控制规律作用巨大,它决定了发动机能否获得设定的稳态工作下性能指标,同时保证工作过程中的压气机和涡轮的气动稳定性。双转子涡喷发动机气动性能优化控制的目的就是有效地挖掘发动机的使用潜力。研究方法采用部件特性法对发动机进行稳态建模,并针对某双转子涡喷发动机的稳态模型进行三种不同稳态控制规律下的仿真,得到发动机性能参数的不同变化趋势,并对其进行了详细的分析。结果表明：保持低压转子转速不变的情况下,随着压气机进口总温的增加,高压转子转速上升,涡轮前温度升高,发动机推力增加;保持涡轮前温度不变的情况下,随着压气机进口总温的升高,低压压气机气动负荷变重,低压转子转速降低;高压转子转速也下降,但是下降幅度很小;燃油流量增加;保持高压转子转速不变的情况下,随着压气机进口总温的升高,燃油流量有一定的增加,低压转子转速有所降低;推力受多重因素的影响,推力值变化趋势较为复杂。     

辅助引射对蒸汽喷射器性能影响的数值研究

首次提出了通过局部低压区辅助引射来改善蒸汽喷射器工作性能的技术途径,并利用FLUENT软件对蒸汽喷射器辅助引射前后内部流场进行了数值模拟计算,重点研究分析了双临界范围内背压波动工况下不同辅助引射方式对工作蒸汽质量流量、引射蒸汽质量流量、辅助引射蒸汽质量流量、内部流场和激波现象的影响及其原因。结果表明:混合室辅助引射不利于改善蒸汽喷射器的引射性能,而喉部辅助引射和扩压室辅助引射能提高蒸汽喷射器的引射效率,且在不同背压下存在一个最佳的辅助引射优化方案。     

带二次流的多喷管超声速引射器性能实验研究

 为研究多喷管超声速引射器在有二次流情况下的性能，采用模拟器产生给定总温和总压的模拟二次流，在多喷管超声速引射器实验台上进行了一系列实验。重点考察了多喷管引射器的性能以及一次流总压和喷管安装构型对其性能的影响。实验结果表明：多喷管超声速引射器可保证二次流在设计工况下正常工作；二次流的加入大大减小了一次流的总压损失；较低的一次流总压具有更好的压力匹配性能，但引射增压能力也有所降低；合理的喷管安装构型可同时提高引射增压能力和压力匹配能力。提出了将二次流作为“助推器”，以帮助多喷管引射器在较低工况下实现启动的方案，在不增加系统复杂度的前提下提高了引射器的压力匹配能力。     

基于分析J-T节流制冷器局部优化设计

本文针对Hampson型J-T节流制冷器提出了肋片非等距双螺旋回热器结构,并建立相应的数理模型,从局部参数优化角度对回热器性能进行研究。在分析新型回热器损失空间分布特点的基础上,通过采用合理的非等螺距的肋片布置形式,来减少回热器的总损失和提高回热性能。本文构建了新型双螺旋回热器的BBD实验表,并数值求解和分析了各种非等间距回热器的损失与换热量分布特性。结果表明:采用合适的非等间距双螺旋回热器可以在减少材料消耗的基础上,调整高低温区域的换热负荷占比和改进损失空间分布,进一步减小总损失和提高换热量。最后验证了新型双螺旋换热器结构的合理性与有效性,为J-T节流制冷器双螺旋型换热器的优化设计和性能提升提供了新的思路。     

等截面超-超引射器流场结构及引射性能

为考察超声速引射器直接引射超声速二次流时的性能,采用纹影技术和压力测量手段对一等截面超-超引射器的流场结构及其引射性能进行了实验研究。研究结果表明:一、二次流交汇后在混合室前段形成了复杂的超声速流场结构。根据二次流在混合室入口流动状态的不同,可将超-超引射划分为非饱和超-超引射和饱和超-超引射两种工作状态;二次流在混合室入口处产生的激波提高了引射器的压力匹配性能;在给定的引射系数下,引射器的增压性能随二次流马赫数的增大而降低,而引射马赫数对引射器压力恢复性能的影响不大。     

Hyperbar涡轮复合发动机循环的热力学第二定律分析

Hyperbar复合发动机是一种高增压、低压缩比并具有旁通补燃系统的涡轮复合发动机,其特点是在不过分增加热负荷和机械负荷的条件下,可以大幅度地提高功率,并能明显地改善发动机的加速特性和扭矩特性。本文对此新型复合发动机循环进行第二定律分析。文中计算了各种不可逆因素导致的(火用)损失,研究了(火用)效率与平均压力随各主要参数的变化规律,并指出改善发动机性能的途径。本文的研究成果对于合理应用及发展     

一种新型的超燃冲压发动机闭式冷却循环

热防护技术是发展高超音速的关键技术之一.为了降低冷却用燃料需求,本文提出了基于闭式Brayton循环的超燃冲压发动机冷却循环,旨在提出一个缓解超燃冲压发动机热防护压力的新方法、新思路,同时可为高超音速飞行器提供足够的电力供应.文中介绍了冷却循环的组成和工作原理,定义了评价冷却循环性能的参数,在考虑系统内、外不可逆性的基础上,完成了系统的性能分析,分析表明该冷却循环可有效地节约冷却用燃料消耗,大幅提升超燃冲压发动机热防护系统性能.     

两相流引射循环制冷系统性能的数值模拟

文中提出了两相流引射制冷循环系统稳定工作判据,并据此对传统两相流引射制冷循环系统进行了改进,增加了辅助蒸发器以使系统稳定工作.在此基础上,对以R134a为制冷剂的汽液两相流引射制冷循环的系统性能进行了数值模拟,分析了不同工况、不同引射比对系统性能的影响.数值模拟结果表明:在给定冷凝压力和蒸发压力工况下,两相流引射制冷循...     

平行声屏障的陷波模态及其插入损失优化

为了改善平行声屏障的性能，本文基于有限元仿真的方法对其陷波模态和插入损失进行了研究。其中，陷波模态是平行声屏障的固有性质，与其几何参数有关。当陷波模态处于共振频率时，平行声屏障内部声场的声能量达到峰值，同时声波垂直入射到声屏障的顶端，使声影区的衍射声能也达到峰值，最终导致插入损失显著下降。本文还对3种优化平行声屏障插入损失的方法进行了分析。结果表明，楔形和扩散型声屏障可降低声波的多次反射效应对插入损失的影响，但是对陷波模态的改善较小。而吸声型声屏障有效的抑制了陷波模态对插入损失的不利影响，从而改善了平行声屏障的性能。     

膨胀式空气涡轮火箭最大状态调节规律与性能分析

为了阐明进气预冷膨胀式空气涡轮火箭发动机在最大状态下的部件匹配规律和性能特点,基于ε—NTU法建立了换热有效度随工况改变的预冷器模型,完成了氢燃料发动机的性能仿真与分析。增大涡轮前压力、燃料流量,同时减小尾喷管喉道和出口面积,可实现压气机工作点沿等物理转速线由堵塞区向喘振边界移动,压气机压比及燃空比均增大。在此过程中,发动机若在低马赫数工作,尾喷管内燃气总压、总温升高使推力增大;在近堵塞区域,压比迅速增大导致比冲上升;在近喘振区域,压比增大减缓,燃空比的上升导致比冲下降。若在高马赫数工作,高温米流使压气机工作于低折合转速区域,工作点在等物理转速线上由堵塞区向喘振边界移动时,燃空比增加补偿了空气流量下降导致的推力衰减,总推力基本保持不变;由于低折合转速下压比增大减缓,增大的燃空比使比冲下降。     

热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测

受不可逆损失的影响,热光伏能量转换器件在高品位热能回收与利用方面受到限制.本文揭示不可逆损失来源,提供热光伏能量转换器件性能提升方案.利用半导体物理和普朗克热辐射理论,确定热光伏能量转换器件在理想条件下的最大效率.进而考虑Auger与Shockley-Reed-Hall非辐射复合和不可逆传热损失对光伏电池的电学、光学和热学特性的影响,预测热光伏器件优化性能.确定功率密度、效率和光子截止能量的优化区间.结果表明:相比于理想热光伏器件,非理想热光伏器件的开路电压、短路电流密度和效率有所降低;优化热光伏电池电压、光子截止能量和热源温度,可提升器件的功率密度和效率.通过对比发现理论与实验结果较一致,所得结果可为实际热光伏能量转换器件的研制提供理论指导.