预冷涡轮组合循环发动机及其关键技术研究综述

预冷涡轮组合循环发动机技术是继涡轮基组合循环发动机、火箭基组合循环发动机、涡轮火箭组合循环发动机之后新的技术路线。为了深入了解预冷涡轮组合循环发动机的发展现状,评估该循环方案的发展潜力,从换热器预冷及射流预冷角度出发,综述了先进预冷发动机循环方案、射流预冷技术以及预冷器技术发展进程,并提出采用化学燃料预冷的若干技术方法,致力于提高预冷涡轮组合发动机总体性能,为高超声速组合发动机的发展提供新的思路和方向。预冷涡轮组合发动机技术是高超声速飞行领域的关键创新。通过不断优化预冷器的设计、提高换热效率,同时考虑到结构紧凑性和重量管理,能显著提升发动机性能。研究显示,采用先进的预冷技术能够拓展飞行马赫数,实现更高的燃料效率和性能。尽管技术挑战依然存在,如氢脆问题和预冷器的抗结冰需求,未来的研究将继续探索新的材料和设计方案,以克服这些难题。总体上,预冷涡轮组合发动机技术代表了空天飞行器推进系统的未来方向,预示着在高速飞行和可重复使用空天飞行器方面的重大突破。

适应飞机需求的进气预冷技术路线分析

为了综合评价高超飞机用高Ma的涡轮发动机及其组合动力的预冷技术方案,从工程应用角度以飞机动力需求为牵引,开展了射流预冷、超临界氦强预冷和燃油强预冷技术方案的对比分析。针对3种预冷技术方案的原理、技术优势、存在的问题,以及适应飞机需求的标志性技术指标开展分析和评估,从跨速域时性能、技术难度及风险、付出的成本代价和周期,以及发展前景等方面开展了综合分析。结果表明:从满足产品需求的角度出发,与超临界氦强预冷和燃油强预冷技术方案相比,射流预冷技术装置结构简单、可靠性高、总压损失小、可与进气道高度集成、供水量适度,以及涡轮发动机本身提供的功率足以驱动射流预冷系统无需额外能源,是目前涡轮发动机扩包线的较优方案。

低温丙烷储罐预冷过程的比较与分析

基于低温丙烷储罐相同的预冷方案和预冷速度要求,对比了两台低温丙烷储罐在预冷过程中内罐底、内罐壁和环形空间的降温差异,分析了受预冷介质流量、预冷介质减压闪蒸后相态成分、储罐基础沉降、环形空间绝热材料填充等多种因素影响。管道的清洁度影响预冷介质流量;介质流量的大小直接影响预冷速度和预冷时间;储罐基础沉降直接影响内罐底的水平度,使罐底出现积液的位置不同;环形空间绝热材料填充的均匀度直接影响环形空间底部温度。这些因素使得两台低温丙烷储罐在预冷过程产生差异。本文为类似大型低温储罐稳定预冷操作提供借鉴。

开孔方式对层装蜜桃差压预冷性能的影响

为探究市场通用瓦楞纸箱的开孔方式对层装蜜桃预冷性能的综合影响,确定预冷环境参数与预冷性能间的函数关系以及不同工况条件下最佳的开孔包装,实现果实采后快速节能预冷,本研究基于计算流体力学构建了圆形开孔(circular vent,CV)和矩形开孔(rectangle vent,RV)的热质传递差压预冷数值模型。通过对比分析实验与模拟数据,得知两者间的最大均方根误差为0.799℃,平均绝对百分比误差为6.6%,这充分验证了该数值模型具有较高的预测精准度。通过探讨不同开孔方式下箱内温度与流场分布情况,发现CV的预冷均匀性差于RV,但其预冷时间和风机能耗却分别减少了30%~40%和50%,且与差压呈幂函数关系。由此可知,在选择包装箱时,若更注重预冷品质,应选择RV;若要节约预冷成本,应选择CV。若两者都要兼顾,则需CV直径大于35 mm。该研究为中小型果园合理选择包装箱开孔方式以及精准监控果实预冷性能提供了理论参考依据。

大型LNG储罐预冷模型构建和预冷参数计算

预冷作业是大型液化天然气(Liquified Natural Gas, LNG)储罐投用前最关键的环节。预冷介质用量、预冷时间以及储罐各部分构件降温速率的控制是大型LNG储罐预冷作业得以顺利进行的重要保证。依托某大型LNG接收站项目,旨在较精确地计算预冷介质用量。选取最复杂的大型LNG储罐为研究主体,综合考虑保冷材料比热容变化、储罐日常蒸发、预冷介质输送管道漏热等因素,搭建有限元模型进行数值模拟计算,并利用上述结果计算预冷模型中的参数。预冷模型计算结果表明:大型LNG储罐预冷工作实施过程中,提高预冷降温速率可减少预冷介质用量和预冷时间,同时降低大型LNG储罐漏热所消耗的预冷介质占比,但需要注意储罐内元件的温差;考虑输送管线和机械结构漏热,预冷介质用量增多,与现场实际数据更吻合,相对误差不超过5%。研究结果对指导大型LNG储罐预冷操作具有参考价值。

膜片式微通道预冷器换热微细管束振动分析与可靠性评价方法

针对预冷吸气式组合发动机的膜片式微通道预冷器换热微细管束振动可靠性问题,建立换热微细管固有振动特性计算方法与数学模型,研究预冷器换热微细管在高速气流冲击下的振动模式,给出综合考虑旋涡脱落激振、紊流抖振和弹性激振等多种共振模式的预冷器换热微细管束振动可靠性评价模型,揭示预冷器换热微细管振动可靠度的变化规律。研究结果表明,预冷器换热微细管的固有振动频率与换热微细管外径、壁厚、相邻支撑间隔板之间跨度以及材料特性等参数密切相关,其振型具有正弦函数的特征;预冷器换热微细管在高速气流冲击作用下存在旋涡脱落激振、紊流抖振、弹性激振等共振模式;预冷器换热微细管振动可靠度随外侧被冷却工质流速的增大呈现出先降低后提高并趋近于某一数值的变化规律;为防止预冷器换热微细管发生共振损坏,在结构设计中要充分结合工作剖面、流动换热特性等,合理设计换热微细管束结构参数。

不同果径苹果差压预冷性能模拟与分析

目的:分析相同包装箱下不同果径苹果对差压预冷的影响。方法:基于球形类比模型和传热理论,使用CFD非稳态SST k-ω湍流模型,对不同送风风速、温度、包装箱开孔大小、果径苹果的差压预冷情况进行数值模拟,选取3种不同工况条件进行准确性验证。结果:送风温度越低、风速越快、苹果果径越小,冷却速度越快;送风温度越高、风速越快、开孔越大预冷均匀性越好。综合正交试验结果对比来看,果径大小对差压预冷的影响显著。结论:苹果果径对预冷的冷却速率和均匀度影响程度最大,需要针对不同果径苹果采取合理的包装方式和码放方式。

基于Zukauskas关系式的预冷发动机进气道流动特性研究

为了研究预冷发动机进气道流动特性,以二维变几何轴对称进气道为研究对象,利用Zukauskas横掠管束绕流关系式,对进气道流场展开了数值仿真研究,探究预冷器的冷却效应及换热管直径对进气道流场、性能的影响。结果表明:Zukauskas关系式能较好地预测气流在预冷器管束间的流动损失;经过预冷后,涡轮通道总温大幅下降,但总温分布不均匀,温度梯度明显,对流换热对上游流体总温产生的影响很小;在Ma_(∞)=2~5飞行工况下,换热功率随着飞行马赫数的增加而增大,涡轮通道的出口总温较预冷前降低了22%~60%,出口马赫数降低了17%~51%,反压比增加了10%~26%,总压恢复系数增加了3%~8%;当预冷器的管径从1 mm增大至2.5 mm时,涡轮通道出口速度降低了16.5%,反压比降低了1%,总压恢复系数呈现先下降后上升的趋势。将虚拟预冷器管束排布方式改为顺排,预冷器的换热功率下降,出口总温上升,涡轮通道的出口速度上升了11%~30%。

氢预冷涡轮发动机研究进展及关键技术

高速涡轮发动机及其组合动力装置是高超声速飞行器技术的基础和关键。随着飞行马赫数提高,来流空气总温显著升高,发动机推力急剧减小。在此背景下,进气预冷成为扩展航空涡轮发动机工作速域的主要方向。液氢同时具备高热值和高热沉,是燃料换热预冷的理想工质。因此,氢预冷涡轮发动机被视为实现临近空间高超声速飞行的重要技术之一。回顾了国外氢预冷吸气式发动机的发展历程,分析了各型发动机的主要特点,并根据预冷目的归纳总结了面向氢氧火箭以及面向冲压或涡喷发动机的2类氢预冷技术。在此基础上,考虑氢预冷涡轮发动机的工作需求,对其研发中的关键技术进行了梳理。与传统航空发动机相比,氢预冷涡轮发动机由于采用了新的循环、燃料和结构,给总体、传热、燃烧、材料等方面带来了诸多挑战。其中的关键技术包括:预冷系统与发动机总体性能的全工况稳态和动态匹配技术;高功重比预冷器的设计、成型和防冰技术;氢燃料动态高精度计量和燃烧控制技术;涉高压氢部件的氢损伤抑制及预测技术等。

吸气预冷发动机预冷换热芯体仿生结构设计发展趋势与展望

现有超高声速飞行器预冷组合循环发动机空气预冷器内部一般由多组微细管束组成,工作过程中存在流致振动大、加工要求高等问题,因此,有必要对预冷器换热芯体进行改型设计,并对其开展进一步的流动换热研究。本文首先分析了基于仿生分形的预冷器换热芯体改型需求;然后梳理了仿蜂巢分形、树状分形与生物表面混合结构在新型预冷芯体强化换热上的应用,以及仿生物体凹凸表面结构、疏水结构在降低预冷芯体内通道表面流阻、抑制结霜上的应用,给出了3种可适用于空天领域的“筒状”仿生预冷换热芯体设计案例;最后总结并展望了仿生微通道换热结构与预冷器换热芯体设计结合的发展前景。

真空预冷处理对草莓冷藏贮藏品质的影响

为了探讨真空预冷对草莓冷藏品质的影响,本研究将真空预冷至2℃后4℃保存的草莓与未经预处理直接4℃保存的草莓作对比,测定其感官指标以及抗氧化活性物质、丙二醛和酶活性等理化指标。实验结果显示:经过真空预冷可以明显延缓草莓变软、腐烂以及颜色的变化,维持良好的风味。另外,在实验后期,经过真空预冷的草莓中抗氧化活性物质的含量显著高于未经预处理组(P<0.05)。而真空预冷后的草莓酶活性在前期较低,后期显著高于未经处理组(P<0.05)。因此,真空预冷处理不仅能够延缓草莓在贮藏期间的质量损失,保护草莓良好的外观结构以及酸甜滋味,还能够有效维持草莓的营养价值,延长草莓贮藏期,提高经济效益。

LNG储罐预冷的方案分析及影响因素研究

目的:研究LNG储罐预冷的方案分析及影响因素。方法:选择一个LNG储罐的液氮预冷方案,分析该方案中预冷流程,建立LNG储罐模型进行数值模拟,探讨预冷流程的影响因素。结果:LNG储罐内温度与温降速率随进口喷淋流量的增大而增加;LNG储罐预冷时间随储罐初始温度的降低而减少。结论:实际LNG储罐预冷过程中可以在合理范围内增加预冷喷淋量、降低储罐初始温度,来确保预冷效果。

基于土壤蓄冷的新型果蔬预冷方案的模拟计算

如何利用自然冷源一直都是热点话题。季节性土壤蓄冷目前在舒适性空调领域已经有了相关的应用案例,但冷链物流的温度都一般都在0~5℃或-18℃,空调的系统温度一般难以满足其要求,因此在冷链物流方向的应用还是较少。在冷链物流的各个环节中,果蔬等农产品采摘后的预冷是全程冷链的第一步也是关键一步,但由于其耗能较大,源头地缘限制等因素导致其不能大面积铺开,造成食品在冷链中出现腐烂和过熟。本文基于土壤蓄冷构造了一种新型的果蔬预冷方案,探讨其节能效果。

真空预冷对采后娃娃菜流通及货架品质的影响

为优选娃娃菜真空预冷的处理条件,维持采后娃娃菜的新鲜品质,在分析不同真空预冷终温(0、2和4℃)和不同真空预冷终压(400、600、800和1000 Pa)对采后娃娃菜预冷效果的基础上,进行了二因素三水平的中心复合响应面试验。结果显示,与不经预冷处理的对照和终温0℃的预冷组相比,在终压600 Pa条件下,2~4℃的预冷终温处理可更好地维持采后娃娃菜的外观品质,抑制其呼吸速率和丙二醛(MDA)含量的升高。在终温2℃条件下,与不经预冷处理的对照和终压1000 Pa的预冷组相比,400~800 Pa的预冷终压处理可更好地维持采后娃娃菜的外观品质,抑制其呼吸速率及MDA含量的升高。进一步的中心复合响应面试验结果显示,采后娃娃菜的真空预冷最优条件为终温4.0℃、终压600 Pa,该真空预冷条件不仅可维持采后娃娃菜的较好品质,而且可使活性物质可溶性蛋白、总酚和抗坏血酸的含量分别提高18.78%、18.47%和33.23%。因此,适宜的真空预冷处理是一种极具潜力的商品化处理技术,能有效维持采后娃娃菜在流通及货架期间的良好品质。

不同预冷方式结合1-甲基环丙烯对红提葡萄的保鲜效果

【目的】研究不同预冷方式结合1-甲基环丙烯(1-MCP)对红提葡萄预冷速度及贮藏品质的影响。【方法】以红提葡萄为试材,分别用隧道式原位差压预冷装置、预蓄冷周转箱、冷库预冷三种预冷方式结合1.5μL/L 1-MCP熏蒸处理,无1-MCP熏蒸作为对照(CK)。置于(0±0.5)℃、相对湿度85%的保鲜库中贮藏,每20 d测定1次果实的各项生理指标变化。【结果】隧道式原位差压预冷、预蓄冷周转箱处理的红提葡萄降温速率明显比冷库预冷的速率快,1.5μL/L 1-MCP结合隧道式差压预冷、预蓄冷周转箱处理的果实较1-MCP结合冷库及CK处理的果实腐烂率和落粒率低,对葡萄的可滴定酸(TA)、可溶性固形物(SSC)含量的保留具有积极的作用,抑制了果实的呼吸强度和丙二醛(MDA)含量,激发了过氧化物酶(POD)的活性,较好的维持了果实品质和营养成分,有效延缓了果实的衰老进程。【结论】1.5μL/L 1-MCP结合隧道式原位差压预冷处理,推迟了红提葡萄的后熟软化衰老进程,保持了果实的品质和营养成分。

不同预冷方式结合H_(2)O_(2)熏蒸处理对西梅贮藏期间品质的影响

【目的】研究不同预冷方式结合过氧化氢(H_(2)O_(2))熏蒸处理对西梅采后贮藏保鲜效果的影响。【方法】以新疆生产建设兵团第三师东风农场西梅为试材,分别采用蓄冷周转箱、原位压差、冷库直冷式预冷并结合3%H_(2)O_(2)对西梅进行熏蒸及纳米聚乙烯微孔保鲜膜(N)包装的预处理措施,以无预冷及熏蒸处理为对照(CK),于1℃,湿度85%~90%的保鲜库中贮藏,通过定期测定西梅的生理指标,分析西梅在贮藏期间品质的变化规律。【结果】较对照组,三种预冷方式结合3%H_(2)O_(2)熏蒸处理,在一定程度上均有效保持了西梅的贮藏品质。不同处理组对西梅贮藏品质保鲜效果:原位压差预冷处理组>预蓄冷周转箱处理组>原位压差预冷处理组>冷库直冷处理组>CK。其中,原位压差预冷处理组较CK,呼吸强度推迟了30 d,预蓄冷周转箱和冷库直冷较CK组推迟了15 d。在第90 d,蓄冷周转箱、原位压差、冷库直冷处理组果实腐烂率分别为CK组的61.2%、40.8%和51%,硬度分别较CK组分别提高了17.65%、70.6%和5.9%。原位压差预冷处理组更好的抑制了西梅的腐烂率、失重率,硬度、可溶性固形物、可滴定酸以及VC含量的下降速率,提高了果实SOD、CAT和POD的活性,阻止了西梅的软化,最大限度地保持了西梅的贮藏品质。【结论】采后预冷结合H_(2)O_(2)熏蒸处理对延缓西梅的衰老进程,保持较好的贮藏品质有促进的作用,尤其是隧道式原位压差预冷结合H_(2)O_(2)熏蒸处理维持西梅采后保鲜效果最佳。

延迟预冷结合过氧化氢熏蒸对蟠桃贮藏品质及生理特性的影响

【目的】分析延迟预冷及过氧化氢(H_(2)O_(2))熏蒸处理对蟠桃贮藏品质及生理特性的影响。【方法】以现采蟠桃为材料,于阴凉处堆放0、2、4、6 h后,分别采用隧道式原位差压设备预冷至2℃,1%H_(2)O_(2)雾化熏蒸5 min,置于(0±0.5)℃,相对湿度85%的保鲜库中贮藏,每7 d测定1次果实的生理指标。【结果】堆货0、2 h比堆货4、6 h果实差压预冷至目标温度所需的时间短,延迟预冷结合H_(2)O_(2)熏蒸处理抑制了果实的呼吸强度,降低了腐烂率、失重率以及PPO酶的活性,提高了CAT酶活性,保持了果实的硬度、可溶性固形物和VC含量,增强了果实自身清除自由基的能力,抑制了MDA含量的升高和果肉的褐变,保持了果实细胞膜的完整性,延缓了果实的后熟衰老进程,提高了果实的新鲜品质。【结论】采后预冷技术结合适宜的保鲜剂处理有助于提升蟠桃的贮藏品质,预冷时间越早,越能更好地保留果实的营养成分及风味物质。

LNG储罐预冷温度变化规律算法研究

为了精确控制LNG储罐在预冷过程中的温降速率,确保预冷过程的安全,减少预冷介质的使用,有必要建立储罐内部预冷模型,预测储罐预冷过程中的温度变化规律。考虑外部空气对流和太阳辐射,对储罐预冷过程中罐顶、罐壁和罐底的漏冷量进行分析,基于能量平衡建立了LNG储罐预冷过程的温度变化迭代计算模型,得到储罐预冷过程中平均温度的变化规律,计算结果与LNG接收站现场数据相对误差在20%以内。考虑储罐内部不同位置处的温度变化规律不同,通过分析储罐内不同位置温度变化的影响因素,结合LNG接收站现场储罐内测温点数据,推导并拟合了储罐内不同位置处温度变化的计算经验关联式。对经验关联式计算结果进行验证,与LNG接收站现场数据相对误差降低至12%以内。本研究对于准确控制LNG储罐预冷过程、节省LNG用量具有一定的指导和借鉴意义。

氮气预冷LNG管道温度变化规律算法研究

为研究氮气预冷LNG卸料管道过程中的管道顶、底温度变化规律,并对管道预冷过程中的顶、底温度变化进行预测计算,利用Fluent软件,建立带π型膨胀弯的LNG管道三维模型,模拟氮气预冷LNG管道过程的温度变化。建立了一维氮气预冷管道计算模型,通过时间与空间的离散化、时间与空间的迭代计算进行模型求解。通过分析LNG管道预冷过程中顶底温差影响因素,推导管道顶底温度理论计算经验关联式,将氮气预冷LNG管道数值模拟结果用于理论计算经验关联式拟合。利用数值模拟结果对经验关联式进行验证,结果表明在拟合数据的样本空间内,利用经验关联式计算管道预冷过程中的顶、底温度误差在10%以内。

果蔬采后分级和预冷车辆协同调度模型与算法

新兴的移动式分级、预冷技术应用于果蔬田间采后处理,有助于降低采后损耗,也催生了采后“最先一公里”冷链物流环节协同运作优化问题。以采后分级、预冷环节为例,综合考虑果蔬最佳预冷时间、先分级后预冷的服务顺序等特有协同情景,构建了移动式分级预冷资源协同调度优化模型。与现有模型不同,本研究考虑延迟预冷对果蔬新鲜度的特殊影响,设计了延迟预冷成本函数,在保障产品质量的同时最小化服务运作成本。设计混合遗传算法对模型进行求解,该算法融合了遗传算法与邻域搜索算法,增强混合算法的局部和全局搜索能力。其中,结合问题的双需求特点及关键协同约束,设计了基于双序列的解的表达方式、基于最佳插入策略的交叉算子以及基于三阶段邻域搜索的变异操作,以提高算法的收敛速度与求解质量。通过与标准遗传算法和变邻域搜索算法对比,验证了本文算法在求解大规模算例时可以更快收敛到更高质量的解。基于陕西省洛川县水蜜桃产业的分级预冷数据证明了模型的合理性。本研究有助于把协同运作优化思想引入果蔬采后“最先一公里”冷链物流环节,为降低我国果蔬采后损耗提供创新性解决思路。