基于Q-POD的脉动背压下压气机流场特性

针对一台自由活塞发动机(FPEG)匹配的电动压气机,研究了脉动背压条件下压气机的瞬态特性,并将脉动背压和稳定背压工况进行对比,揭示了压气机内部不同形成机理的非定常特征.采用四重本征正交模态分解(Q-POD)法,对压气机非定常流场进行了降阶重构.基于局部熵产率,对分解后的四重流场结构逐一分析,量化并定位了压气机非定常流动中的不可逆损失.结果表明:有/无脉动背压的熵产差异在叶轮中接近17%,在压壳中仅为1%.叶轮中的大尺度结构扰动耗散熵产占主导,扩压器中直接湍流耗散熵产占比超过92%.脉动背压通过改变压气机中大尺度相干结构进而影响瞬时流场结构.大尺度涡结构在环形通道内周向发展是造成扩压器中不可逆损失的主要因素.

进气增压对自由活塞内燃发电机性能影响

采用增压技术可以提高现有自由活塞内燃发电机功率密度.文中针对一台自由活塞内燃发电机,建立了其一维仿真模型并根据试验数据进行了校核.通过模拟增压方式研究了进排气压力、配气相位、进排气管几何尺寸等参数对其性能的影响.设计了电动增压方案并确定了匹配参数,依据此选型了一台电动压气机.研究结果表明:当进气压力超过0.18 Mpa时,自由活塞内燃发电机有效功率超过了10 kW,给气比需保持1.3左右,扫气效率接近90%.此时扫气口需提前约0.74 ms开启,进气管容积也需适当扩大以此来保证充足的进气量和良好的换气品质.匹配结果表明在额定运行频率时自由活塞内燃发电机流通特性线穿过压气机高效区,设计点工况压气机效率超过73%.

面向核电装备的全生命周期智能运维需求分析

核电行业是支撑国家安全的重要基础产业,其涉及的高安全装备结构复杂,执行任务时相互配合密切。装备工作状态的优劣直接影响整个系统是否稳定运行,对提供优质的能源供应,推动核电行业发展具有重要作用。因此,开展核电高安全装备的智能运维,提升装备运行的可靠性十分必要。通过系统地梳理核电行业高安全装备的运维现状和相应的智能运维需求,从基于价值维修的策略出发,提出运营准备时间、单台装备维修工期、单台装备维修工时及全生命周期运维成本4个价值指标,评价核电高安全装备的智能运维效率。本文提出的计算方法可为后续核电行业典型的高安全装备开展智能运维软件应用验证提供理论支撑,并指导相关的成果在核电行业进行应用推广。

微型摆式内燃机蜂窝密封设计及流场分析

微型摆式内燃机结构缩小后,泄漏明显增加,热效率显著下降。为改善其径向泄漏问题,提出了一种新型蜂窝密封结构,实现蜂窝与中心摆一体化设计,避免了传统蜂窝密封结构与基体分离安装的复杂性。利用数值方法比较蜂窝密封和光滑间隙密封对质量泄漏的影响规律,从而验证蜂窝密封设计的有效性。应用FLUENT软件分析微型摆式内燃机蜂窝参数变化对密封流场特性的影响,研究结果表明,当蜂窝壁厚小于0.2 mm或对边距小于1.2 mm时,随着结构参数增加,有利于蜂窝密封的封严特性实施;相反,蜂窝结构参数变化对密封流场压力的影响较小。

基于Inspire软件的散热器支架轻量化拓扑优化设计

本文采用Altair Inspire软件对散热器支架进行了结构分析和拓扑优化,以提高支架的强度、刚度,同时降低支架的重量和成本。首先,根据散热器支架的几何形状、材料属性、载荷条件和约束条件,建立了有限元模型,并进行了线性静力学分析,得到了支架的应力、位移和安全系数分布。然后,利用Altair Inspire的拓扑优化功能,在满足强度、刚度和制造工艺约束的前提下,对支架进行了形貌优化,得到了更加轻量化新型支架模型。最后,对比分析了优化前后的支架模型及其结构性能指标,评价了优化效果。结果表明,Altair Inspire的拓扑优化方法,可以有效地改善散热器支架的结构性能,减少了71.48%的质量。

基于Altair Inspire软件的内燃机活塞结构优化研究

在保证发动机经济性、舒适性、可靠性的前提下,制造活塞时如何减少材料的投入进行轻量化设计,为此优化设计尤为重要。基于铝硅合金材质的活塞,利用Pro/E软件进行三维建模。确定优化设计方案,在合理的范围内减小尺寸,降低质量。使用Altair Inspire软件,确定建立模型的材料之后建立活塞头部优化设计模型,对自动几何重构得出的模型进行有限元分析。发现不能满足要求,为此根据约束条件和负载情况,基于拓扑优化原理,采用手动几何重构的方法,对活塞设计空间部分进行X型优化设计,同时基于仿生设计学进行拱型优化设计。经过有限元分析对比得出最优活塞模型,进而确定最终优化的结果。

自由活塞发动机关键设计参数及其性能的仿真优化研究

针对拟开发设计的用于混合动力汽车的自由活塞发动机-发电机系统,对其自由活塞发动机的关键设计参数(活塞组件质量、压缩比、点火提前角及其经济性和动力输出特性),进行了仿真优化研究。研究结果表明:经参数优化后的自由活塞发动机标定功率为7.42 kW,相比原机的标定功率提高了1.17 kW;最低燃油消耗率为313.4 g/(kW·h),相比原机节省燃油34%。

活塞式发动机轴系耦合振动问题(二)——扭转、轴向的升级连振

作为前文的继续,作者针对耦合振动问题进行了曲柄模型的动态试验。通过对试验结果的分析研究,揭示了扭转-轴向的升级连振现象。这种研究还有助于理解实验数据处理中出现的主要及次要因素的影响,从而提出了升级连振现象的成因,并形成了发动机轴系耦合振动问题的实际解法。

单活塞式液压自由活塞发动机运动特性研究

研究单活塞式液压自由活塞发动机运动特性。根据单活塞式液压自由活塞发动机样机结构,采用AMESim建立了发动机性能预测模型并进行试验研究,发动机性能预测结果与试验数据基本一致。单活塞式液压自由活塞发动机稳定工作时输出特性单一,运动过程重复性好,循环过程不对称且压缩冲程较膨胀冲程耗时长。活塞运动加速度大,在上止点停留时间短。发动机压缩比可无级变化,其工作频率可控且受极限频率限制,输出流量具有间歇性特征且输出压力基本恒定。

自由活塞斯特林发电机设计优化方法

基于未来太阳能应用的重大需求及国内斯特林发电技术较为落后的现状,提出一种自由活塞斯特林发电机的设计优化方法。使用Sage软件建立发电机的热力学模型,利用软件的优化功能进行参数优化,同时结合直线电机的力学平衡方程修正优化结果。利用该方法优化设计新实验样机,同时获得冷端温度、动力活塞板簧刚度和运行压力等参数对发电机输出性能的影响规律,并与实验进行对比。实验结果表明,各参数对发电机输出性能的影响与模拟基本一致。新实验样机在热端温度865 K、冷端温度300 K条件下输出136.6 W的电功率,热电效率达到27.8%,较旧样机提升10.4%,与模拟值误差为6.0%。

自由活塞式内燃发电机振动特性

对自由活塞式内燃发电机建立了数学模型,理论上阐述了自由活塞的运动特性并对应制作了该系统的固有频率特性脉谱图;利用Matlab/Simulink建立了该系统仿真模型,分析讨论了自由活塞的实际运动规律,并与上述理论解进行了对比、分析。研究结果表明,自由活塞式内燃发电机的活塞运动不同于传统旋转内燃机,它可视为变阻尼、变刚度的单自由度受迫振动,振动频率与外部周期性燃烧激励相关联;此外,由于该系统的等效刚度系数以及阻尼系数均为正数,它对周期性激励表现出的响应最终稳定收敛进而保障内燃机稳定运行。该结果有利于进一步掌握自由活塞式内燃发电机的运动特性,并为实际样机设计提供了理论依据。

甲醇点燃式发动机爆震破坏形式试验研究

在一台使用M100纯甲醇燃料并提高压缩比的四缸点燃式发动机运行过程中,强制发生爆震。通过对爆震时燃烧过程的监测及破坏后的活塞宏观及微观结构进行的分析,提出纯甲醇点燃式发动机发生爆震破坏的活塞失效形式。研究中观察到纯甲醇发动机产生爆震时,发动机燃烧室内的爆发压力迅速升高,而且变化幅度剧烈,形成爆轰压力波。当该压力波作用在活塞上,使其表面及内部发生快速的热氧化腐蚀。金相分析表明,硅铝合金材质活塞的表面在爆轰波影响下,原始均匀分布的Al-Si合金成分发生错位。通过扫描电子显微镜进一步分析,发现失效的活塞表面发生绝热剪切熔孔。再通过X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)成分确定后,观察到失效活塞表面的晶型有了改变。根据获得的缸内燃烧情况,得出纯甲醇发动机发生爆震时的压力波破坏形式。对照爆震发生时发动机燃烧室内的缸压变化,提出一种爆震压力波对活塞表面的影响模式。

基于Matlab/Simulink的直线发动机性能仿真研究

建立了直线发动机的动力学及燃烧模型,通过Matlab/Simulink建模仿真,研究了直线发动机的运行特性,并定性分析了各主要设计、控制参数对系统性能的影响。研究结果表明:直线发动机的活塞组件质量直接影响系统输出性能,且在3.5~4 kg范围内输出功率较高;而对点火位置和喷油量的实时调节则是直线发动机控制的关键。

直线发动/发电机启动性能仿真研究

对一台直线发动/发电机的启动过程进行了研究,提出了基于速度信号的启动力方向控制模式,并通过Matlab/Simulink动力学仿真研究了该模式下系统的运行特性及启动性能.结果表明,启动力的精确换向是直线发动/发电机启动控制的关键;在基于速度信号的启动力方向控制模式下,系统的能量损耗较小,经优化的系统启动力约为135N;运动组件在启动过程中作频率、幅值逐渐增大的直线往复运动.

自由活塞汽油直线发电机燃烧过程特性

为了获得自由活塞汽油直线发电机工作过程中的燃烧特性,根据试验测得的活塞运动曲线对其燃烧过程进行了CFD仿真研究,并对比传统发动机分析了两种发动机活塞运动规律差异对燃烧过程的影响规律。研究发现:与传统发动机相比,自由活塞汽油发电机缸内最高燃烧压力和平均温度均较小,且最高燃烧压力保持时间较短,这有助于减少NO污染物;自由活塞直线发电机燃烧放热率呈现'缓和长'的特点,燃烧放热过程等容度较低;自由活塞直线发电机较少的混合气在上止点前完成燃烧,压缩行程负功较小,但由于后燃较严重,其指示效率较传统发动机低。

液压自由活塞发动机的能量平衡分析

液压自由活塞发动机是将一次动力机—内燃机与二次动力机—液压泵的集成为一体 ,以液体为工作介质 ,利用油液压力能来实现动力非刚性传输的复合发动机。针对稳态运转的液压自由活塞发动机 ,分析了其能量输入、耗散、分配及输出情况 ,给出了各能量组分所占的比例 ,并估算了活塞的最大运动速度和负载压力。为HFPE的结构设计、控制和效率提高指明方向。

自由活塞内燃发电机稳定运行参数耦合分析

针对自由活塞内燃发电机较难实现稳定运行的问题,对自由活塞内燃发电机工作过程活塞受力状况进行了分析,结果表明其工作过程可以看成是单自由度有阻尼强迫振动系统。结合工作过程中的能量守恒原理,分析了自由活塞内燃发电机稳定运行过程中结构参数与性能参数之间的耦合关系,通过等效计算,获得了自由活塞内燃发电机稳定工作所需要的匹配参数。并以一样机为例,对分析结果进行了仿真验证,结果表明通过等效计算所确定的匹配参数能够近似实现稳定运行,验证了分析的正确性。

天然气发动机汽车的优势和发展现状

从社会环保效益、经济效益和使用安全等角度出发,详细论述了天然气发动机汽车的优势和当前发展状况。从发动机功率下降、腐蚀与早期磨损两方面分析了当前天然气发动机汽车所面临的问题及其产生原因,并提出了提高天然气汽车功率和磨损的措施。

自由活塞内燃发电机低速不稳定性影响因素分析

单缸低速试验表明,自由活塞内燃发电机低速模式缸内燃烧并不稳定,呈间隔循环着火。为探索其原因,构建了系统CFD(计算流体力学)模型,对比分析了自由活塞内燃发电机换气过程与传统二冲程内燃机换气过程之间的差异,通过计算解释了试验中着火不稳定的现象,并得到了换气过程中影响换气效果的关键因素是扫气箱容积变化率的结论。随后探寻改善自由活塞内燃发电机低速不稳定性的设计策略,在计算模型中进一步研究了动子(磁棒)直径、扫气箱容积、进气增压压力对换气过程的影响。研究发现:减小动子直径与缸径比、对进气增压能显著改善自由活塞内燃发电机的换气效果,而在保证提供充分混合气量基础上扫气箱容积的改变对换气效果影响不大。

基于Matlab的微型发动机燃烧过程仿真建模

为研究微型HCCI自由活塞发动机的工作性能,应用Matlab软件对其单次冲击的燃烧过程进行仿真建模,分别建立考虑传热、漏气的零维总包化学动力学模型和理想气体模型,并将仿真计算结果与试验结果进行比较.运用传热漏气模型对微型HCCI自由活塞发动机不同初始速度下的燃烧特性进行模拟,得到自由活塞初始速度对工作压力、温度、活塞运行位置的变化规律的影响以及不同初始速度下自由活塞的运动特性.结果表明气体泄漏和传热对燃烧过程影响较大,考虑传热漏气模型的微燃烧模拟结果与试验数据吻合较好,为微动力装置的性能评价和设计提供理论依据.