间冷回热发动机用间冷器外涵安装模型性能研究

间冷器是间冷回热发动机的重要部件。为了使间冷器满足间冷回热发动机的设计要求,同时为间冷器的安装实验提供技术支撑,本文在现有间冷回热发动机用间冷器几何模型的基础上,对间冷器外涵安装模型的性能进行了研究。首先,分析了间冷器的阻力特性,并使用多孔介质模型建立了间冷器芯体的数值计算模型;然后,在发动机巡航状态设计了间冷器外涵扩压通道和排气通道;最后,计算并分析间冷器外涵安装模型的性能。计算表明:利用贝塞尔曲线设计的扩压通道可以缓解出口局部扩压角较大的情况;基于Lee曲线的间冷器外涵排气通道设计,可以满足排气通道内两次改变型线转折方向的要求,相应的总压恢复系数较高。采用带有隔板结构的扩压通道的间冷器外涵安装模型,总压恢复系数可达到92.73%。在综合考虑质量的情况下,可以进行简化或取消隔板结构。

110kN核热发动机推力室非平衡流动传热数值模拟研究

为预测110 kN核热发动机堆芯外推力室流动传热情况,建立了推力室身部和喷管延长段三维一体模型,采用数值模拟方法对堆芯出口至喷管出口间的高温氢气、推力室壁和超临界氢的流动传热进行了耦合计算。考虑再生冷却通道内超临界氢的物性变化,采用SST k-ω模型计算了整个湍流场,有限速率反应模型计算氢的非平衡离解,比较了进入喷管的氢气在无离解态、平衡离解冻结态和非平衡离解态下的流动传热特性,并讨论了中子热沉积对再生冷却传热的影响。结果表明:氢的非平衡离解反应对发动机比冲影响显著,而对推力室再生冷却传热影响较小;与无离解反应流和平衡离解冻结流相比,氢气非平衡离解作用下发动机比冲和再生冷却温升均增大;中子热沉积对再生冷却传热影响很小。

核热火箭发动机研制进展与关键技术

介绍了核热火箭发动机基本原理,回顾和分析了美、俄(苏联)核热火箭发动机的研制历程。美国在早期核热火箭发动机的研制过程中主要采用整机试验模式进行研究,Rover/NERVA期间先后建立了20余个反应堆,获得了大量的试验数据,这些数据至今仍在美国核热火箭发动机的研究中发挥着重要作用。后续在SNTP计划中以提高反应堆性能为目标进行了颗粒床反应堆(PBR)研究。在NCPS计划中提出了经济可承受的思路,并采用电加热非核模拟方式开展燃料元件的筛选研究,降低了成本和危险性。在任务需求方面,围绕载人登火和地月经济圈活动,提出了DRA5.0载人火星计划以及天龙座(DRACO)计划。俄罗斯(苏联)与美国基本同时开展了核热发动机研究,其技术路线主要以反应堆燃料元件技术为主,研制出扭转条状耐高温的多元碳化物燃料元件,参数水平居于世界领先。通过总结美俄核热火箭发动机的研制趋势,对核热火箭发动机反应堆关键技术进行了分析,并对我国未来开展核热火箭发动机的研究提出了发展建议。

基于TBC技术的航空发动机热端部件保护结构

热障涂层在航空发动机中被用作热端部件的保护结构,能有效保证航空发动机热端部件正常运转,是一种能显著提高其工作效率和寿命的表面防护技术。航空发动机的热端件占航空发动机总重量的40%~60%,这些热端件的性能几乎决定了航空发动机的主要性能,所以TBC技术的研究和发展在如今看来至关重要。本文主要介绍了热障涂层系统的分类、具体结构、制备方法,MCrAlY合金粘结层材料和Pt-Al合金粘结层材料的研究进展,介绍了单元素掺杂改性YSZ涂层陶瓷材料和多元素掺杂改性YSZ涂层陶瓷材料的研究进展,以及对热障涂层技术的失效机理进行简要的介绍。在文章的最后,对热障涂层材料方面和失效分析方面的未来发展趋势和方向进行展望。

基于氢工质热工循环的核热火箭发动机堆芯技术发展现状

核热推进是未来深空探测和星际航行的可靠技术方案。反应堆是核热火箭的能量来源,堆芯的功率分布/核燃料几何构型对氢工质的加热有直接影响,氢工质热工循环决定了核热火箭发动机的动力学品质。基于20世纪美国与前苏联/俄罗斯的典型反应堆方案的研究结果,综述了反应堆燃料元件模块化和低浓缩铀(LEU)化的发展趋势,概述了反应堆在新发展趋势下的技术路径:(1)调整反应堆内慢化剂元件的材料与体积分数;(2)优化反应堆内工质的传热流动特性。分析涉及到的燃料元件、简化模型,探究堆芯内燃料元件冷却剂通道结构的优化设计方案对反应堆出口参数的影响,为提高核热火箭发动机性能参数提供了新思路。

核热火箭发动机系统热力循环选型及参数优化

针对核热火箭发动机系统方案展开深入研究,提出了3种液体火箭发动机系统循环选型和3种系统流路设计方案。以高比冲和经济性为优化目标进行系统热力循环选型和系统参数优化设计,最终选择了一种基于带驱动元件金属陶瓷(CERMET)快堆的闭式膨胀循环高性能系统方案。采用遗传算法进行该优化方案下系统参数最优化分析,结合工程实际最终得到室压5 MPa,涡轮前温度400 K,比冲大于900 s的优化设计系统方案,并对相关组合件理论特性进行分析,提出未来组件优化方向,为后续核热火箭发动机设计提供基础。

摩托车发动机热管理对机油消耗的研究

摩托车是最常用的交通工具之一,其引擎的工作特性与稳定性直接影响到整车的综合性能。内燃机在运转时会产生大量的热能,对其进行有效的热管理,不但关系到整车的工作性能,也关系到机油的消耗量,随着摩托车性能的不断提高,对发动机热管理的要求也越来越高,摩托车发动机在高温条件下,机油消耗量增大,会影响发动机的稳定性和使用寿命,因此发动机热管理对发动机油耗的影响成为摩托车生产厂家与用户共同关心的问题。

大型多功能热声发动机的研制及初步实验 第一部分 热声发动机的研制

设计并制作了一台大型多功能行波热声发动机 ,该热声发动机长 4 5m ,高 1 2 5m ,设计最大输入功率 5kW。它不仅可以用于行波与驻波混合型热声发动机实验 ,还可以单独进行行波环路实验及热声发动机驱动脉管制冷机实验。该热声发动机中没有任何运动部件 ,同驻波热声发动机相比起振温度低、压比大 ,这对低品位能源的利用具有重要意义。着重介绍该热声发动机系统的研制和测量系统的组成 ,相关实验结果将另文介绍。

大型多功能热声发动机的研制及初步实验 第二部分:热声发动机的初步实验

行波热声发动机在回热器中进行的是可逆热声转换过程 ,理论上可以更高效地产生和传输声功 ,因而具有广阔的研究应用前景。对自行研制的大型多功能热声发动机进行了初步实验 ,着重研究了系统的起振、消振过程及压力波动情况。实验结果表明 ,该热声发动机比纯驻波型热声发动机具有更低的起振温度、更大的压比及更高的热声转换效率。以氮气为工质 ,在充气压力为 9× 10 5Pa的条件下 ,该热声发动机最大压比达 1 2 1,工作频率为 2 5Hz ,这是当前国际上处于前列的实验结果。

行波型热声发动机的试验研究

介绍了新型行波形热声发动机的试验装置 ,在不同的充气压力和工质条件下进行了试验 ,讨论了结构尺寸、充气压力、加热温度、工作介质试验结果的影响 ,并发现了频率跳变现象。

外加扰动对热声发动机起振特性的影响

热声发动机利用热声效应将热能转化为声功,系统中没有任何运动部件,具有结构简单、效率高、环境友好等突出优点。为了充分发挥热声发动机可利用低品位热能的优势,进一步降低系统的起振温度对热声热机的应用具有重要意义。该文首次提出利用外加扰动降低系统起振温度的设想,并在自行研制的多功能行波热声发动机实验台上进行了实验验证。初步实验结果表明,外加扰动可以大幅降低热声发动机的起振温度。实验以氮气为工质,当系统充气压力为0.9MPa时,通过加入压力扰动使系统的起振温度由原来的219℃降低到193℃。系统研究了外加扰动对热声发动机整个起振和消振过程的影响,获得的结果对加深热声系统起振机理的认识及热声发动机的实用化研究具有重要的指导意义。

声学放大器对热声发动机性能的影响

对声学放大器的声功传输能力以及其对热声发动机性能的影响进行了实验研究,发现声学发大器只有在一定条件下才能提高热声发动机的输出压比,当末端阻抗减小时其放大能力也减小。声学放大器本身也是一个声学阻力部件,如果仅以负载引出功计算热声发动机的效率,声学放大器在输出端负载阻抗较大时能够提高系统热效率,当负载阻抗减小后,它将使发动机的热效率急剧降低。

谐振管形状对热声发动机内非线性声场的影响

研究了谐振管一端受活塞声源激励,另一端刚性封闭条件下,管道形状对热声发动机谐振管内部非线性声场的影响。基于流体力学基本方程建立了渐变截面谐振管内一维非线性声场的模型,考虑了黏性耗散及非线性效应的影响。利用伽辽金法数值求解了该模型的速度势方程,分析了谐振管形状、活塞振动速度及激励频率对管内声场的影响。将双曲形、指数形、锥形、正弦形等四种变截面谐振管内的非线性声场与圆柱形直管的情况进行了比较。结果反映了谐振管内声场的压力波动受活塞振动速度及谐振管形状的影响;显示了当活塞振动幅度较大时,谐振管内出现的波形畸变、频率曲线偏移、共振频率滞后等非线性现象;揭示了变截面谐振管在抑制管内的高阶谐波及提高压比等方面的优越性。

正交试验法在高频级联型热声发动机研究中的应用

为了研究级联型热声发动机级间运行参数组合方式对系统性能的影响,采用综合的正交试验法,以驻波级回热器热端的起振温度为例,通过正交试验极差分析和方差分析得知充气压力是最敏感的影响因素,其次是行波级的加热功率,再次是驻波级加热功率。试验表明,随着充气压力的升高,起振温度逐渐降低;随着行波级加热功率的增加,起振温度先降低后升高;随着驻波级加热功率的增加,起振温度趋于降低。正交试验法是研究多因素、多水平的一种优化试验方案的方法,采用综合的正交试验法会使试验研究更为有效。

行波热声发动机驱动的脉管制冷机研究

通过改变热声发动机谐振直路长度,研究系统在不同工作频率下的性能。研究发现,在一定条件下降低频率可以显著改善脉管制冷机的性能。在工作压力为 2 7MPa,加热功率为 2 350W,工作频率为 45Hz时,双向进气型单级脉管制冷机获得了 80 9K的最低制冷温度,这是目前用热声制冷方法获得的最低制冷温度。

自激振荡热声发动机的整机数值模拟研究

基于线性热声理论,以复频率作为迭代判据,给出具体的四端口网络模拟算法,对两台实际的热声发动机进行了整机数值模拟,并且结合实验结果进行了对比分析。计算结果证明它们的板叠和回热器分别处于驻波和行波为主要分量的声场中, 成为热声转换的核心。另外发现,频率误差不超过1％,相对振幅实验值约为计算值的70％,基本反映实验规律,同时解释了非线性影响是造成误差的主要原因。

热声发动机用加热器的设计与实验验证

热声发动机利用热声效应将热能转换为机械能,热能由核心部件加热器提供。加热器在热声发动机的能量传递和转化过程中起着举足轻重的作用。针对热声发动机的工作特点,介绍了一种采用时均流对流换热公式进行热声发动机用加热器设计的方法。基于该方法,设计了一种新型热声发动机用电加热器,并应用于自行研制的太型多功能行波热声发动机试验台。设计计算和实验结果表明,该加热器能够充分满足热声发动机的加热要求。本文对以振荡流体为特征的换热器设计具有一定参考价值。

以氦气为工质的行波热声发动机研究

随着对热声热机研究的深入,特别是行波热声发动机概念的提出,热声发动机效率得到了质的提高。为了实现热声发动机与制冷机的良好匹配,以氦气为工质时热声发动机需具有较低的起振温度、较大的压力波强度、较好的单频率特性。本文对自行研制的新型热声发动机进行了深入研究,以氦气为工质,在充气压力为2.0MPa时获得了1.19的压比,系统频率稳定在约73Hz,为利用新型热声发动机驱动脉管制冷机或其它热声制冷机创造了有利条件。此外,该热声发动机起振温度较低,初步具备了利用工业废热等低品位能源驱动的条件。

高效热致声发动机的新方案探索及其热力分析

讨论了热声发动机在驻波和行波两种不同工作状态下， 其声功率产生的临界温度梯度与流道尺寸和工作介质的关系， 提出了基于行波工作模式的热声发动机新方案。

斯特林热声发动机的直流研究

具有环路的斯特林热声发动机引入了反馈回路,实现了行波相位的热声转换,获得了较高的热声转换效率。然而,环路的拓扑结构使得声场中直流的产生成为可能,直流的出现将严重制约热声发动机的性能。本文以温度和压力测量作为重要实验手段,研究直流与热声发动机温度分布、压比、热声转化效率之间的关系,考察了直流抑制前后系统的性能,指出有效抑制直流能大幅度提高热声发动机的性能。