纳秒脉冲等离子体激励控制短舱侧风流动分离实验研究

短舱进气道在侧风工作状态下会发生流动分离,导致发动机进气畸变,甚至造成发动机喘振。等离子体流动控制技术在改善流场特性领域具有自身独特的发展优势,其主要难点在于等离子体激励能否与流场产生有效耦合作用实现流动控制目标,而高压脉冲等离子体技术以其功耗相对较低、对流场持续产生扰动等优势,在控制翼型/机翼流动分离中已取得显著成果,在短舱流动分离控制中存在巨大的潜力。首先探究了侧风影响下短舱进气道的基准气动规律,定量分析总压畸变程度,从而确定了等离子体激励工况,然后采用120°周向激励布局,在不同激励频率电压条件下,进行纳秒介质阻挡放电(NS-DBD)的流动控制效果验证和激励参数影响规律研究。结果表明:施加NS-DBD激励,总压损失系数降低,流动分离范围减小,总压畸变基本消失;随着激励频率的提升,总压畸变程度呈现先减小后增加的趋势;在激励过程中存在一个固有最佳耦合频率,在最佳耦合频率下,总压畸变改善效果最佳;在来流速度为25 m/s,来流偏角为10°的条件下,施加NS-DBD激励,使得平均总压损失系数减小了26.09%,畸变指数减小了31.48%;激励电压阈值上限为10 kV,阈值下限为8 kV;而通过改变激励电压,以改变激励能量的注入,对分离流场改善效果的提升不明显,因此,在实现分离流场控制的同时应尽可能降低激励电压至电压阈值下限,有助于降低能耗、提升寿命,促进等离子体流动控制技术的推广应用。

等离子体电磁干扰下圆柱绕流壁面压力信号AI实时降噪

面向闭环主动流动控制的可靠传感需求,提出采用人工神经网络模型对不同等离子体电磁干扰下受污染流场信号进行实时降噪处理。以安装在圆柱表面的动态压力传感器为研究对象,分别采集了正弦交流介质阻挡放电(AC–DBD)的“稠密峰”型干扰信号和纳秒脉冲介质阻挡放电(NS–DBD)的“稀疏突刺”型干扰信号,对人工合成含干扰的流场压力数据进行了监督学习训练,并对模型的泛化能力进行了测试验证。结果表明:基于人工神经网络模型的实时降噪方法可以有效抑制等离子体激励带来的电磁干扰影响,还原真实的压力信号,且对AC–DBD“稠密峰”型干扰信号的降噪效果更好,降噪后信号波形平滑,与真实信号拟合度高;将模型用于真实的流场压力测量中,通过对比降噪后信号与真实信号均值,验证了降噪神经网络的信号还原精度。

氨滑动弧等离子体激励的数值建模

在双碳背景下,氨的使用及其燃烧难题的解决受到国内外学者的重视。针对改善氨燃烧问题,研究了二维流体动力学-零维反应动力学-燃烧动力学思路,分析了滑动弧等离子体条件下氨的裂解和燃烧特性。利用COMSOL计算软件建立了考虑电磁的二维流体计算模型,研究了滑动弧在反应器中的演化;建立了适用于氨的零维滑动弧模型,研究了滑动弧中全电离-转捩-非平衡3个阶段的温度和组分演化规律;利用CHEMKIN计算软件建立了燃烧模型,评估了等离子体对NH_(3)/air混合气燃烧特性的影响,此外对在混合气中添加CH_(4)进行了分析。结果表明,等离子体能够促进氨的裂解,降低氨的点火延迟时间,并且提高其层流燃烧速度,但是在混合气中将部分等离子体条件下的NH_(3)替换为CH_(4)后,整体燃烧效果有所下降。

基于深度学习的火花放电等离子体反应器电压波形优化设计

等离子体点火助燃在近些年来受到了国际众多学者的广泛关注,传统的火花放电等离子体反应器基于重复性实验设计,但随着飞行高度升高,气压降低和燃烧室流速增大,单纯的热效应无法适应逐渐恶劣的燃烧室环境,限制了燃烧室的安全工作边界。为了维持火花放电,更合理更高效地控制等离子体放电反应,产生所需的活性物质和能量,为此对电源电压进行优化设计。利用二维模型、零维模型以及深度学习模型计算分析了放电频率和电子密度增长方式对火花放电的影响,通过神经网络模型计算得到电压幅值的增长率与初始电子密度的增长率成负线性关系,电子密度增长方式中先慢后快和分段增长更省能,而电子密度分段式增长所对应的电压放电所产生的O原子和O(1D)粒子数更多,更有利于助燃。综合考虑能耗和助燃组分粒子数,分段式增长的电子密度所对应的电压波形是火花放电点火助燃最佳的选择。

滑动弧等离子体激励对旋流燃烧室节油熄火特性的影响

针对航空发动机燃烧室在快速节油条件下扩稳防熄的迫切需求,为验证等离子体助燃(PAC)技术在拓宽动态熄火边界等方面的显著优势,建立了快速节油单头部旋流燃烧实验平台,并开展了滑动弧等离子体基于快速节油条件下的熄火特性研究。实验通过采集快速节油燃烧过程中OH*化学自发光信号,分析燃烧室熄火演化过程,对比研究了不同节油速率和流量下滑动弧等离子体激励对熄火特性的影响。研究表明,在动态节油下熄火边界明显小于准稳态条件下的熄火边界,随动态节油和进气流量的增大,熄火边界变窄;施加PAC后,助燃效果显著,节油条件下的贫油熄火油气比明显降低,尤其在较大节油速率和流量下仍能维持稳定燃烧。进气流量为15 m^(3)/h、节油速率为0.09/s时边界拓宽最大,由0.064拓宽到0.052,拓宽程度达到23%。

滑动弧等离子体点火助燃头部激励对燃烧室点熄火特性的影响

基于旋转滑动弧等离子体技术,研制了与某型航空发动机适配的点火助燃头部,并在三头部燃烧室实验平台的基础上开展了点熄火特性实验研究,通过分析旋转滑动弧等离子体点火助燃头部激励对燃烧室着火过程、点火边界以及熄火边界的影响规律,初步验证了该技术拓展燃烧室点熄火性能的可行性。结果表明:旋转滑动弧等离子体激励可以显著拓宽点熄火边界,缩短着火延迟时间。相比于常规点火器,在余气系数为2,输入电压为200 V时,着火延迟时间缩短49.2%;输入电压为200 V时,贫油点火边界拓宽18.2%;输入电压为240 V时,熄火边界拓宽7.41%。

无保护层激光强化对316L/Inc600焊接接头焊缝部位耐腐蚀性的影响

目的获得无吸收保护层激光冲击强化(LPwC,Laer Peening without Coating)对316L/Inc 600异种金属焊接接头焊缝部位耐腐蚀性能的影响机理。方法对316L/Inc 600焊缝部位进行无吸收保护层的激光冲击强化处理,采用光学显微镜、扫描电子显微镜和共聚焦显微镜对不同强化工艺下焊缝部位的形貌和元素分布进行观察。用电化学工作站测试不同工艺下焊缝部位的交流阻抗谱和动电位极化曲线。对电化学测试后的焊缝进行形貌观察和能谱检测。结果LPwC后在金属表层引入厚度约0.54μm的重熔层,粗糙度从96 nm增加到691 nm。强化处理和打磨处理后焊缝的电荷转移电阻分别为原始样品的1.7倍和3.1倍,钝化电流减小1~2个数量级,点蚀电位增加100 mV以上。强化处理后的点蚀坑平均直径从原始样品的33.41μm减小到17.20μm,体积损失从122886μm^(3)降为49068μm^(3),且内部无元素偏析和碳化物。原始样品的枝晶间处易发生点蚀,该处贫Cr,且周围富集C。强化加打磨后的点蚀坑出现在晶界处且深度很浅,无元素偏析现象。结论LPwC的热载荷可以消除焊缝部位碳化物,减少贫Cr区,提高焊缝的耐腐蚀性能。打磨LPwC强化表面可以进一步提高焊缝的耐腐蚀性能。

增材制造单晶镍基高温合金微观组织、热稳定性及耐磨性能

利用定向能量沉积的增材制造方法制备了单晶镍基高温合金SRR99,通过微观组织表征、硬度测量与纳米划痕实验,系统地研究激光增材制造单晶镍基高温合金在服役温度下的组织稳定性。结果表明:经过服役温度(650℃)退火100 h后,增材制造样品γ'强化相的形貌及尺寸(70 nm)依旧保持。相比于传统铸造样品,服役温度退火前后增材制造样品的硬度(6.6 GPa)均提高了20%以上。此外,退火前后增材制造样品的摩擦因数均具有数值低(0.19)、离散性小的特点。本研究证明定向能量沉积增材制造的单晶镍基高温合金样品拥有优异的组织热稳定性和耐磨性能,为激光增材制造技术应用于单晶镍基高温合金涡轮叶片的榫头修复与提性延寿提供了实验支撑。

不同氢气喷孔直径对汽油掺氢X型转子发动机性能及污染物排放的影响

针对高效X型转子发动机汽油燃烧不充分的问题,提出了一种缸内直喷掺氢方法用于提升燃烧效率和发动机热力性能。建立了X型转子发动机三维CFD数值模型,通过缸压、放热率和功率实验数据验证了模型有效性,在喷氢总量、喷氢压力、喷氢开始时刻相同的条件下,分析了氢气缸内直喷且汽油预混时氢气喷孔直径对发动机缸内流动、燃烧、热力性能以及污染物排放特性的影响,并与纯汽油预混式发动机性能进行对比,揭示了缸内直喷掺氢方法的优越性。结果表明,在小氢气喷孔直径(2 mm)下,火焰传播比较均匀,且在燃烧室两侧狭缝中都有较大的对称的火焰,燃烧更加充分,发动机指示热效率达到了最高37.07%,较不喷氢和大氢气喷孔直径(4 mm)分别提高了10.23%和7.85%。与大氢气喷孔直径相比,虽然小氢气喷孔直径下NO x排放量上升了21.12%,但是碳氢化合物、碳烟排放量分别下降了79.08%和2.17%。小氢气喷孔直径(2 mm)为最优喷氢方案,研究为X型转子发动机的喷氢方案设计与优化提供了指导。

Mar M247透平叶片残余应力X射线测试参数优化研究

为提高Mar M247透平叶片残余应力X射线测试精度,用OM/SEM/EDS、X射线应力仪进行显微组织表征和残余应力测试,分析Mar M247合金显微组织对X射线衍射效应的影响,以及测试参数对衍射峰强度、峰形拟合度、数据拟合度和残余应力测试结果的影响规律。结果表明:Mar M247合金组织粗大且不均匀,导致X射线衍射效应变差,引起d-sin2ψ图上的数据点无规则跳动或有规则震荡,降低了残余应力测试的准确性。残余应力测试中,随准直管直径的增大,X射线衍射峰的强度增加,峰形改善,峰形拟合度提高,降低了残余应力测试误差。当准直管直径较小时,增加曝光次数可提升X射线衍射峰的强度,提高测试结果的准确性。增加曝光时间未提升测试准确性,反而降低了测试效率。

3D打印连续纤维增强尼龙复合材料冲击性能

连续纤维增强热塑性复合材料中增强相纤维起承载作用,增强相在打印层内部的填充状态及层间的分布位置会对产品的力学性能产生重要影响。为探究不同纤维状态下增材制造件的抗冲击能力,采用熔融沉积工艺制备纤维增强热塑性复合材料,并对复合材料进行冲击性能测试,对断裂表面的扫描电子显微镜图进行分析,深入研究了熔融沉积成型过程中纤维填充方式、纤维叠层顺序、纤维种类以及不同纤维堆叠方向对复合材料抗冲击性能及破坏机制的影响。结果表明,玻璃纤维增强复合材料0°填充的抗冲击性能最佳,冲击强度为197.54 kJ/m^(2),约为抗冲击能力最差的90°填充方式的5倍;三种叠层顺序中包裹式分布的抗冲击能力最佳,冲击强度可达230.56 kJ/m^(2),约比均匀式分布试件的冲击强度高16.7%。玻璃纤维试样冲击强度最优,略高于高强度高温玻璃纤维,垂直堆叠试样的抗冲击性能普遍高于水平堆叠试样,最高冲击强度可达282.76 kJ/m^(2)。对3D打印过程中纤维状态进行研究,为提高3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的冲击性能提供参考。

激光冲击强化前处理对AISI9310齿轮钢低温渗碳的影响

AISI9310钢是一种高强度渗碳齿轮钢,具有较好的韧性。服役过程中,齿面极易发生磨损和接触疲劳失效损伤。为有效改善9310齿轮钢的耐磨损和抗接触疲劳性能,实现磨损和接触疲劳性能协同强化,提出采用激光冲击(LSP)+渗碳(LC)复合强化的技术思路,采用激光冲击强化技术对AISI9310钢基体进行前处理,再对其开展低温渗碳热处理。为进一步研究LSP和LC对9310齿轮钢微观组织形貌的影响规律,利用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射表征渗碳层微观组织形貌和截面方向的晶体学特征,并对试件截面方向的硬度进行考核。研究结果表明,AISI 9310钢的渗碳层厚度约为14μm,最大硬度约为305.67 HV,硬化层厚度约300μm;LSP前处理后,渗碳层厚度提升到23μm,最大硬度提升到328.87HV,硬化层厚度提升到约700μm。对比发现,LSP前处理分别可将9310钢低温渗碳层厚度提升64.3%,渗碳层硬度提升23.17 HV,硬化层深度提升133%。这主要是低温渗碳对9310钢的Kernel平均取向差(KAM)和小角度晶界影响较小,但是LSP前处理可引入塑性变形并提升小角度晶界比例,有助于碳元素扩散,促进9310钢低温渗碳行为,提升渗碳层厚度、硬化层硬度和厚度。初步解决了LSP前处理诱导微观组织缺陷促进碳元素扩散的问题,可为LSP复合强化提升航空齿轮关键部件服役寿命提供技术支撑。

激光冲击强化改善增材制造金属疲劳性能

激光冲击强化作为一种有效的金属表面改性技术,在提升增材制造金属疲劳性能及服役寿命方面,展现出了令人振奋的应用前景。本文首先简要介绍了激光冲击强化技术和增材制造技术的发展及分类,然后综述了激光冲击强化作为后处理方式改善增材制造金属疲劳性能的研究进展,并从激光冲击强化调控表面附近的孔隙率、微观组织结构、残余应力等方面阐述了疲劳性能得以提升的机制;同时总结了激光冲击与增材制造复合工艺对增材制造金属疲劳性能的改善效果,并从表面残余压应力及其分布深度分析了疲劳性能大幅提升的原因;最后总结并展望了激光冲击强化在提升增材制造金属疲劳性能方面亟待开展的研究方向。

带背景激波系的凹腔流动特性研究

凹腔作为超燃冲压发动机的一种火焰稳定器受到广泛关注,凹腔剪切层与背景激波系的相互作用影响凹腔火焰稳定器的性能。为深入分析背景激波系对凹腔流动的影响,设计了长深比为13.3的闭式凹腔,将凹腔模型前缘激波和风洞上壁面干扰激波作为背景激波系,在Ma=2的直连式风洞中开展了背景激波系与凹腔剪切层的相互作用的试验,采用高速纹影系统对瞬态流场进行了捕捉,重点关注背景激波系和凹腔剪切层的动态变化特性。采用纹影序列的本征正交分解来研究流场中的主要相干结构,采用快速傅里叶变换和连续小波变换对流场的频率域特征进行了分析。结果表明:在背景激波与剪切层相互作用下,激波结构产生大尺度振荡,凹腔内流动结构产生小尺度脉动。通过对激波位置的傅里叶变换分析,发现激波振荡的主导频率集中在90~400Hz的范围内。通过对纹影图像的空间傅里叶变换分析,发现5kHz以下的流场振荡主要由激波振荡引起,5kHz以上的流场脉动主要由凹腔内流动结构引起。

基于视觉大模型的激光粉末床熔融铺粉缺陷检测

激光粉末床熔融增材制造面临质量稳定一致性的挑战,铺粉质量是影响成形件质量的重要因素。近年来,计算机视觉在铺粉缺陷监测中的应用表现突出,但其性能却受到标注数据数量不足的限制。针对这一问题,笔者设计了基于视觉大模型分割一切模型(SAM)的铺粉缺陷分割模型(PSAM)。针对SAM预训练参数的知识迁移问题,引入Adapter模块实现参数微调;针对铺粉分割任务中类别信息的需求,改进了SAM中的掩码解码器;针对工业场景中人工提示难的问题,提出了自动提示生成器,实现了视觉提示的自动生成。在训练样本数量仅为50的情况下,PSAM表现出了良好的分割性能,平均交并比(mIoU)可达到65.02%,相较于Deeplab v3和U-Net分别提升了8.52个百分点和5.31个百分点。本研究展示了视觉大模型在增材过程监控中的应用价值和应用潜力。

压气机抗冲蚀涂层对钛合金疲劳性能的影响

航空发动机压气机叶片的砂尘冲蚀问题是航空发动机性能衰减、寿命降低的原因。抗冲蚀涂层是提高压气机叶片抗砂尘冲蚀能力的有效方法,但是硬质涂层的引入会降低金属叶片的疲劳性能。采用离子镀技术在TC4钛合金表面沉积厚度相同的TiN单层涂层和TiN/Ti多层涂层。采用扫描电子显微镜、纳米压痕仪、X射线应力分析仪表征了试样的表面、截面形貌以及基本力学性能,对比分析了不同涂层、无涂层TC4基体的旋转弯曲疲劳性能,讨论分析了TiN、TiN/Ti涂层对TC4基体疲劳性能影响的机制。旋转弯曲疲劳试验结果表明,TC4钛合金基体在1×106循环周次下的中值疲劳强度为530.5 MPa,而沉积TiN、TiN/Ti涂层的TC4钛合金试样在该条件下的中值疲劳强度则分别为529.2、492.5 MPa,与未沉积涂层的TC4基体试样相比,分别下降了0.24%、7.16%。涂层损伤基体疲劳性能的机制为涂层开裂加速了基体的疲劳失效。而且TiN涂层表面粗糙度较低且残余压应力较大,相较于TiN/Ti涂层,TiN涂层对TC4钛合金基体疲劳性能的损伤比例更小。

氨氢融合新能源交叉科学前沿战略研究

2022年3月23日,国家发展和改革委员会、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021~2035年)》,明确了氢能是国家能源体系的重要组成部分.最近20多年来,氢能基础设施建设、氢能关键材料与核心部件、氢能汽车产业发展、氢能储运技术等方面国内外取得了长足的进展.但目前在世界范围内,氢能产业发展仍然面临着氢跨区域、高安全、低成本、大规模储运难的重大瓶颈^([1~4]).

飞机结构激光冲击强化研究进展与展望

飞机梁、框、壁板等承力结构广泛采用铝合金、钛合金等轻质合金,且孔、槽、窝、连接等局部区域存在应力集中、工作应力大等问题,容易导致服役过程中在交变载荷作用下发生疲劳裂纹故障,制约飞机结构服役寿命,甚至影响飞行安全。激光冲击强化是一种新型表面塑性强化技术,可在不更换材料和不改变结构尺寸的前提下,通过材料表层内预制残余压应力和改善微观组织,显著提升其疲劳性能,现已在美军F-22、F-35等飞机上实现了工程应用。重点阐述含孔、焊接、含倒角和高承载等典型飞机结构激光冲击强化研究进展及有待解决的问题,分析并总结近年来飞机结构激光冲击强化研究历程与发展特点,从设备、机理、工艺和工程应用等方面进行研究展望。通过系统性研究进展和梳理技术问题,明确未来工程应用所需的理论支撑和关键技术,促进相关创新链、产业链快速发展与协同合作,推动激光冲击强化技术在中国军民用飞机结构抗疲劳制造与延寿修理上的规模化应用。

激光粉末床熔融增材制造过程智能监控研究进展与挑战

激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion,LPBF)增材制造逐渐成为难加工金属构件快速、低成本、高性能、短周期制造的“潜力股”,被认为是使用最为广泛的金属增材制造技术之一,已经在航空、航天等工业领域得到大面积应用。然而,增材制造过程与成形质量的稳定一致性是行业面临的挑战性难题,已经成为LPBF增材制造技术迈向规模生产的“拦路虎”。目前的LPBF增材制造监控系统主要在“测”,即实现各类过程信息的测量,其质量评判与调控技术成熟度不够,难以实现行之有效的过程监控,而结合先进传感技术以及人工智能方法的智能监控有望成为LPBF增材制造规模生产的“一把利刃”。从LPBF缺陷类型、制造过程信息感知、过程质量智能评判、工艺参数优化与质量调控四个方面综述激光粉末床熔融增材制造智能监控研究进展和发展现状,指出发展面向LPBF增材制造规模生产的成熟智能监控系统面临的挑战。最后讨论应对这些挑战的解决途径和未来展望。

一种宽速域乘波三角翼气动布局设计

针对宽速域高超声速飞行器亚/跨/超/高超声速气动性能难以兼顾的问题,发展出一种融合乘波前体和大后掠三角翼的宽速域高超声速气动布局。乘波前体设计基于锥导乘波理论,设计马赫数为Ma=5;小展弦比大后掠机翼采用基于代理模型优化设计的宽速域翼型。数值模拟结果表明:亚声速状态下,该布局能够在大迎角飞行时利用涡升力改善气动性能,升阻比可以维持在8以上;超声速下该宽速域气动布局的三角翼双“S”构型下表面使气动布局尾缘附近获得额外加载,高超声速下乘波体前缘的激波特性提升了气动布局的升阻性能,超/高超声速速域内升阻比不低于4.5,巡航性能良好。此外,对该宽速域乘波三角翼气动布局的纵向静稳定性进行了分析,该气动布局整体气动中心位置靠后。