混合动力推进系统与飞机数字化设计现状与展望

本文总结了国内外针对混合动力推进系统及飞机发展专门开发的数字化设计工具,归纳了其相应设计方法及特点。综合来看,为了满足混合动力飞机的设计需求,集成高精度电系统和热能管理系统模型,建立针对性的性能评估体系、飞机与发动机设计的数据耦合交互、研究设计与安全性分析相统一的建模方法、基于人工智能方法提高优化设计管理能力是目前面向其特点的关键发展方向,并为其后续的实验验证、适航条例制定等工程应用提供重要的技术支撑和设计依据。

气固两相湍流非定常压力脉动特性数值模拟研究

与发动机振荡燃烧相关的气固两相流中的压力脉动现象长期以来备受关注。为了解发动机气固两相流动中的非定常压力脉动特性,以典型的后台阶气固两相流动为研究对象,使用发展的自适应湍流模拟(Self-adaptive turbulence eddy simulation,SATES)和离散相模型(Discrete phase model,DPM)相结合的方法,对两相流场进行了三维非定常高精度数值计算。以实验数据作为参考验证了计算方法的精度和可靠性。通过将两相流场的压力脉动信号与纯气相流场进行对比,发现加入颗粒后流场压力脉动主导频率略有变化,无量纲压力脉动幅值明显减小;进一步研究了固体颗粒直径和质量分数对脉动特性的影响规律,发现随着颗粒直径变大,流场振幅先减小后增大。颗粒直径为10μm时,振幅最小;随着质量分数的增大,流场振幅呈现出下降趋势。研究表明气固两相流中颗粒的参数变化对振荡主频影响较小,对脉动振幅影响显著。

多变气热参数下大尺度槽深叶顶的流动换热特性

为了研究具有渐缩型面凹槽在不同深度下叶顶间隙的流动换热特性,针对某一级高压涡轮,在发动机五种典型工况下通过改变其凹槽深度,采用k-ω湍流模型以及自适应湍流模拟方法(SATES)分别进行定常和非定常的数值仿真分析。研究结果表明,凹槽深度是影响间隙泄漏流动和叶顶换热特性的重要因素,同时该影响趋势也受涡轮工作状态的限制。相比于深凹槽,浅凹槽方案的间隙泄漏量明显降低,对应的涡轮动叶出口总压损失系数也有所降低,这在涡轮小流量状态时尤为明显。然而,深凹槽设计在降低叶顶热负荷方面表现更好,其中槽深0.8H方案比槽深0.1H方案的叶顶平均努塞尔数降低38.3%~95.3%。定常和非定常两种计算方法主要影响了间隙内局部泄漏量和叶顶前部热负荷的预测值,并未改变流动换热特性的分布趋势。

基于ISPSO的半透明介质中多种辐射特性参数反演

半透明介质广泛存在于工业和化工设备中,其热辐射特性在研究介质传热过程中起着重要作用。本文提出了一种改进的随机粒子群优化(Stochastic particle swarm optimization,ISPSO)算法,从角度光散射测量信号中反演半透明介质的热辐射特性参数,即吸收系数、散射系数和不对称系数。研究结果表明,与随机粒子群算法(Stochastic particle swarm optimization,SPSO)相比,ISPSO算法避免了局部最优和收敛精度低的现象,即使在5%的随机测量误差下也能获得合理的检索结果。当只需要研究两个参数时,反结果的鲁棒性是令人满意的。当反演的参数较多时,反演精度会降低。此外,在5%随机测量误差下,同时反演多个辐射特性参数时,即吸收系数、散射系数和不对称因子,本文提供的方法仍能得到满意的结果。结果表明,本文提供的反演方法是一种有效可靠的方法,可以同时估计半透明介质中的多个辐射特性参数。

基于反应特性的可变截面甲醇水蒸气重整反应器优化

研究了双套管式甲醇水蒸气重整(Methanol steam reforming,MSR)反应器在热空气加热条件下重整通道中的流场特征和催化床的温度分布特性,结果表明:催化床的温度沿流向迅速降低,最低温度在距催化床入口15 mm至20 mm处;然后,温度随流动方向逐渐升高至反应温度;此外,沿半径方向从中心到壁面催化床温度逐渐升高,热阻的存在使得催化床中心的温度低于周围的温度。根据这一反应特点,本文提出了一种变截面重整反应器,以充分利用供热能量,提高反应效率;然后利用响应面分析法(Response surface methodology,RSM)对变截面反应器的结构参数进行了优化。结果表明,在相同的边界条件下,加热通道重整入口处的外半径R_(1)=49.94 mm,最小横截面处的半径R_(2)=39.99 mm,最小横截面到催化床入口的距离D=98.44 mm,甲醇转化率显著提高。

小间距单孔冲击凸面靶板流场结构实验

利用烟线法研究了小间距、单孔冲击凸面靶板的流场结构.实验中,改变冲击雷诺数Re、冲击间距和冲击孔直径之比H/d以及冲击靶面相对曲率d/D等参数,通过拍摄流场形态,分析气流分离角度和涡旋结构随上述参数的变化规律.研究结果表明当Re,H/d较大时,在凸面靶板周向两侧形成了稳定的旋流结构.随着Re,H/d的增加,冲击射流与靶面分离处对应的圆心角增大,分离推迟.实验中还发现当d/D减小,流体与靶面的分离提前,其相对应的圆心角呈现减小的趋势.

小空间内冲击/气膜复合冷却换热特性试验

利用相似理论的原理，试验研究了封闭小空间内冲击／气膜复合冷却内表面的换热特性．研究中通过改变冲击RP数（10000-40000）、冲击距离H和冲击孔直径D之比H／D（0．17～2．0），在2种冲击孔和气膜孔间距P和冲击孔直径D之比P／D（0，1）条件下，细致分析冲击RP数、H／D对复合冷却内表面局部换热特性的影响．结果表明，在本文的试验工况中，冲击靶板上的局部Nu数随着冲击Re的增加而不断变大，而Nu数随着H／D的变化规律并非单调．当P／D=0，H／D=2时换热效果达到最佳；P／D=1时，在X／D=±3范围内，小冲击RP数条件下H／D=0．17和H／D=2的换热效果比较接近，大冲击RP数条件下H／D=1和H／D=2的换热效果比较接近．

双层壳型冲击/气膜结构内表面换热特性实验

以双层壳型冲击/气膜复合冷却结构的平壁模型作为研究对象,进行了该种结构典型冷却单元的放大模型实验研究。通过改变冲击Re数（10 000～40 000）,冲击间距和冲击孔直径之比H/D（0.17～2.0）,冲击孔和气膜孔间距与冲击孔直径之比P/D（0～5.0）等参数,利用热膜法研究了该典型冷却单元结构中内表面的换热特性。研究结果表明：参数Re,H/D,P/D对内表面局部换热系数的影响呈现出复杂的关联性。在本文的实验工况参数条件下,随着冲击Re数的增加,内表面换热效果逐步增强;并且存在一个最佳的H/D和P/D范围使得内表面换热效果最佳。综合分析实验结果,当H/D=0.67,P/D=3时,双层壳型冲击/气膜冷却结构内表面能达到最佳的换热效果。

离心力场下细微封闭通道内R12的热驱动换热研究

本文以试验的方法,研究了一种利用彻体力场下封闭通道内流体的热驱动循环流动来强化换热的新型冷却技术。主要讨论了封闭循环通道宽度d为1mm,氟利昂R12为工质的热驱动流动和换热特性,重点分析了随转速(即离心加速度)的变化,R12的热驱动流动和换热变化规律,以及热端壁面的温度分布及变化规律。研究结果表明:离心力场下流体热驱动流动和换热特点同重力场下基本相似;随着转速的提高,R12的热驱动强度不断增加,热端壁面温度逐步下降,同时热端壁面的温度梯度也逐渐降低;在转速为1140r/min时,总平均传热系数达到了1550W/m2·K。

离心力场流体热驱动液晶显现试验研究

在强离心力场下构造出封闭微小循环通道,可以通过封闭通道特征尺寸的微小化来强化换热,同时利用流体的高热驱动力来克服尺寸微小化带来的阻力增加,不需要任何辅助动力装置,因此结构简单、强化换热效果佳。本文利用热色液晶技术,首次通过温度场显现试验,研究了离心力场下封闭微小通道内氟利昂R12的热驱动运动。结果表明同传统的热电偶测温相比,热色液晶技术作为一种新的测量方法,可以更准确地表示出整个温度场的分布规律。

小间距冲击凹柱面靶板换热特性实验

利用热膜法，实验研究了小间距下单孔冲击受限凹面靶板的局部换热特性。通过改变冲击Re数（20000～30000），冲击间距和冲击孔直径之比H／D（0．2～1．0）等参数，重点分析冲击靶面周向和轴向的局部换热系数及其分布规律。结果表明：小冲击间距工况下，由于滞止区内高压区作用。气流被加速，靶面轴向上出现除滞止点以外的第二个强化换热峰值，并且随着冲击间距的减小，该效应越加明显；当H／D较小时，由于冲击导管端壁表面的限制，冲击射流在凹面靶板的周向形成冲击射流，显著提升了周向的局部换热效果，周向上也出现了二次强化换热峰值。随着H／D的增加，周向二次强化峰值迅速消失。实验中当H／D=0．2时，凹面靶板的换热效果达到最佳。

重力场下细微循环通道内流体热驱动现象研究

本文以试验结合数值模拟的方法,研究了一种利用彻体力场下封闭通道内流体的热驱动循环流动来强化换热的新型冷却方式。由显示实验清楚地拍摄到封闭通道内水的热驱动循环流动,同时通过实验和数值分析研究了水的运动和换热特性,实验和计算结果基本一致。研究表明在本文研究的参数范围内,只有当加热量超过30000W/m2时,流体的热驱动力才能克服阻力影响来驱使流体运动,同时加热端的平均换热系数达到了2500W/m2·K。此换热结构在高密度封装电子器件的冷却设计中将会有良好的运用前景。

旋转半受限单孔冲击局部换热特性实验

利用热膜法测量局部换热系数Nu,对旋转条件下半受限冲击射流的换热特性开展了实验研究.通过改变冲击雷诺数Re（20 000～35 000）和旋转数Ro（0～0.003 441）等参数,讨论了旋转状态对半受限单孔冲击换热特性的影响.实验结果表明：旋转显著影响了冲击靶面的局部换热系数分布规律.在实验工况范围内,靶面局部（平均）Nu数均是先随着旋转数Ro的增加而增强,后又随着旋转数Ro的增加而减小.实验中还观察到同静止情况相似,旋转条件下半受限冲击射流的冷却效果也是随着冲击Re的增加而不断提高.

一种新型冷却循环通道内水的热驱动数值分析

以数值模拟的方法研究了一种可以运用于电子器件冷却的新型冷却结构和理论 ,即利用彻体力场下封闭循环通道内流体的热驱动来强化换热。在需要冷却的地方 ,构造一个循环封闭通道 ,一端加热 ,一端冷却 ,通过封闭通道内流体的热驱动实现循环换热。主要研究了在定热流加热条件下 ,改变通道的宽度对流体的流动和换热的影响 ,重点分析了流体在循环通道内的热驱动流动和换热特性。研究结果表明 ,几何尺寸对流体的热驱动流动和换热影响很大 ,在通道高度一定的条件下 ,存在着最佳管径 ,此时流体的换热效果最好。本文的研究内容对于高密度封装电子冷却设计有着较好的参考价值。

新型涡轮叶片冷却技术换热特性实验研究(英文)

通过实验研究了一种新型涡轮叶片冷却技术(Ther-mal driving in high centrifugal field,TDHCF)的换热特性。该技术主要利用高彻体力场下微小封闭循环通道内流体的热驱动运动来达到高效换热的目的。实验中分别采用了液态H2O和氟利昂R12为热驱动介质,分析了离心力场下热驱动运动的流动规律和换热特性,讨论了TDHCF技术的总平均换热效果KH随旋转速度和热流密度的变化规律。研究发现:离心力场下,采用不同的流体作为热驱动介质所形成的热驱动运动规律相同,温度分布也基本类似,均是随着转速和热流密度的增加,热驱动运动强度提高,平均换热系数随之变大。研究结果表明:旋转速度、热流密度以及热驱动介质的热物性均影响了TDHCF所最终能达到的换热效果,其中旋转速度的影响尤为显著;在热流密度或转速不变的情况下,以液态氟利昂R12为热驱动介质,TDHCF可以达到更高的强化换热效果。与常规的气冷技术相比,采用TDHCF可以有效地提高换热效果。

旋转封闭循环小通道内液态金属热驱动换热特性研究

高速旋转条件下,封闭循环小通道内的流体(热驱动介质)在浮升力的作用下会产生热驱动运动,将热量不断的从高温端携带至冷却端释放。本文通过数值模拟的方法,研究了离心力场下封闭循环小通道中,不同性质流体的流动和换热特性。重点分析了以液态金属锂、钠和钠钾合金为热驱动介质时,热驱动运动的换热特性Nu随Bu和Ro两个参数的变化规律。研究中发现在一定的Bu数变化范围内,以液态金属锂、钠以及钠钾合金为热驱动介质所得到的Nu均随Ro数的增大而减小;当Ro数相同时,Nu随Bu数的增加而变大。研究结果表明高转速,低加热量时,采用液态钠钾合金为热驱动介质可以得到最好的热驱动换热效果;在高转速,高加热量时以液态锂为热驱动介质时,热驱动换热能力最强。

流体物性对离心力场热驱动影响的数值研究

本文利用数值模拟,通过改变流体的密度、黏性系数以及导热系数等热物性参数随温度的变化规律,讨论了不同物性参数对循环小通道内热驱动运动及其换热效果的影响。研究结果表明:为了达到最佳的换热效果,循环小通道内流体应具有高体积膨胀系数、高密度、高定压比热、高导热系数、低动力粘度等特点。当封闭小通道内流体为液态工质时,密度对换热效果的影响最大,导热系数、定压比热和黏性系数的影响依次降低。当封闭小通道内流体为液态金属时,导热系数对换热效果的影响最大,密度、定压比热和黏性系数的影响依次降低。

旋转状态半受限冲击射流流动和换热特性研究

利用数值模拟的方法,通过改变冲击雷诺数Rej(20000-35000)、旋转数Ro(0-0．0117)等参数,分析旋转条件下半受限单孔冲击射流的流动和换热特性,讨论了旋转对冲击射流的流场结构和换热特性的影响．研究结果表明:冲击射流在离心力和哥氏力的共同作用下发生弯曲,造成冲击靶面上的冲击斑随着旋转数Ro的增加而不断偏移,显著影响了冲击的冷却效果．冲击靶面的平均Nu数随着冲击雷诺数Rej的增加而增加;当旋转数Ro增加时,冲击靶面的平均Nu数先增加,后减小,然后再增加．计算结果和试验结论基本一致．

重力场下循环小通道热驱动现象数值研究

本文以数值模拟的方法,研究了由常海萍教授和过增元院士提出的一种新型冷却换热结构,即构造一个微小循环通道,一端加热,一端冷却。利用彻体力场下流体的热驱动来实现换热。计算中主要通过改变通道宽度,研究不同通道宽度下,循环小通道内水的流动和换热现象。数值结果表明,通道宽度对流动和换热的影响很大,在通道高度一定的条件下,存在着最佳通道宽度,此时换热效果最佳。本文研究内容在高密度封装电子器件的液体透体冷却等场合有较好的运用前景。

《采暖通风》课程中的启发性和实践性教学

《采暖通风》是热能工程专业的专业基础课程之一，是一门理论性实践性都很强的课程。在《采暖通风》的教学中，老师们常常对实践教学重视程度不够，很多学生欠缺实际应用能力。本课程组拟通过实习和教学相结合、CFD技术和多媒体课件相结合、演示性试验和设计性试验相结合的方法，达到了较好的教学效果.