低压环境下RP-3航空煤油自燃特性研究

开展了低压环境下RP-3航空煤油的自燃特性研究,测试了101 kPa、80 kPa、60 kPa、40 kPa、20 kPa五种压力环境下航空煤油自燃点及着火延迟时间数据。结果表明,随着环境压力降低,自燃点升高,并基于谢苗诺夫热自燃理论,建立了耦合压力参数的自燃点预测模型。分析了环境压力对着火延迟时间的影响机制,建立了不同环境压力下的着火延迟时间预测模型。分析了GB/T 5332—2007标准在低压环境下测试存在的问题,并提出了相关改进方法。

旋翼轴用Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层的制备与摩擦学性能

针对国内航空传动系统翻修间隔时间短的不足,以硬质颗粒Al_(2)O_(3)和润滑材料PTFE作为微粒,采用电刷镀技术在旋翼轴常用过渡层金属材料T2紫铜片表面,制备Ni−Al_(2)O_(3),Ni−PTFE,Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层,采用扫描电镜、显微硬度仪表征分析镀层微观形貌、元素含量分布及硬度;采用自制的销盘式摩擦磨损试验机对镀层试样进行摩擦磨损试验,探究镀层摩擦学性能及其磨损机理。结果表明:随Al_(2)O_(3)颗粒含量的提高,Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层表面微晶单元尺寸减小,硬度提高,Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE(3∶1)显微硬度最大为236 HV,相比于Ni−PTFE复合镀层提升约66%;Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层结合了Al_(2)O_(3)和PTFE两者的优势,在具有减摩的同时,还具有良好的耐磨性能,Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE(1∶1)复合镀层的减摩性能最优,相比于Ni−Al_(2)O_(3)其摩擦系数降低约52%;Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE(3∶1)复合镀层的耐磨性能最优,相比于Ni−PTFE其磨损率降低约85%;Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层的磨损形式主要是机械磨损,存在轻微的氧化磨损和黏着磨损,复合镀层表面微凸体的塑性变形可为摩擦表面提供润滑膜,其中PTFE是自润滑颗粒,Al_(2)O_(3)颗粒起到支撑与强化的作用,保护镀层免受磨损。

RP-3航空煤油/O_(2)预混火焰不稳定性研究

为获得RP-3航空煤油不稳定燃烧特性,采用定容燃烧实验装置开展初始压力0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa,初始温度420 K、450 K、480 K,当量比1.0~1.7工况下RP 3航空煤油/O_(2)预混火焰层流燃烧特性的实验研究。结果表明:随着初始压力和当量比增加,火焰锋面明显由光滑变为褶皱,内部出现胞状结构,火焰趋于不稳定。通过分析过渡加速起始半径发现,随着初始温度、初始压力和当量比增加,过渡加速起始半径减小,预混火焰的不稳定现象提前。另外,计算扰动增长率并分析其对火焰稳定性的影响发现,质热扩散作用对火焰稳定性的影响占据主导地位,流体动力学作用其次。进一步研究发现,质热扩散作用主要取决于分子扩散项,随着当量比增加,其值由负向正变化,证明分子扩散作用对预混火焰不稳定影响逐渐增强。

高温高压环境下RP-3航空煤油单液滴的加热与蒸发特性研究

RP-3航空煤油是当前国内最常用的商用喷气燃料,煤油液滴在航空发动机燃烧室中的蒸发直接影响燃料的雾化效果、空燃混合气的形成和燃烧质量。本文以单个RP-3航空煤油液滴为研究对象,选取正十二烷、2,5-二甲基己烷、甲苯作为替代燃料,提出了一个考虑自然对流效应的高温高压环境下多组分液滴蒸发模型。利用自主搭建的试验装置得到了环境压力为1MPa、环境温度为473~673K下RP-3煤油单液滴在蒸发过程中的液滴直径变化。模型预测结果与试验结果的对比验证了模型的准确性。通过模型预测了不同环境参数下三组分替代物液滴直径、内部温度分布、各组分质量分数分布和液滴寿命等参数的瞬态变化,定量分析了不同高温条件下环境压力对单液滴蒸发特性的影响。结果表明,液相内部的传热传质会影响多组分液滴的蒸发速率,且液相扩散阻力造成了液相内部组分质量分数与温度空间分布的不均匀性。环境压力对RP-3煤油液滴蒸发寿命的影响随环境温度的变化而变化。当环境温度低于正十二烷的临界温度(658.25K)时,液滴寿命与环境压力的关系不是单调的,液滴寿命随环境压力的增加先增后减;而当环境温度超过658.25K时,液滴寿命随环境压力的升高而单调减小。这是因为在高温高压环境中,环境压力的升高能显著增大自然对流传热传质强度,而自然对流超过一定强度时,能明显促进液滴蒸发。上述研究有利于认识液滴内部组分扩散过程,从源头上为未来高性能低污染发动机的优化设计提供依据与参考。

3号喷气燃料储运过程中的质量管理

3号喷气燃料作为喷气式飞机的燃料,国家标准对质量指标要求很高。燃料从企业生产到飞机使用,中间要经过储运与运输环节,但燃料储运过程中难免会对油品造成污染,进而影响使用。因此,文中着重介绍了3号喷气燃料的常用储运方法,分析了影响油品质量的主要污染因素,包括水污染、固体杂质、微生物和混合油等,最后有针对性地提出了保证油品质量安全的控制措施,旨在对3号喷气燃料及整个航空系统的安全维护起到一定的参考作用。

气态/超临界态RP-3航空煤油喷嘴内部流动可视化研究

为研究气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动特性,自主设计了模拟喷嘴内部收缩通道的透明试验件,通过阴影法对气态/超临界态RP-3在喷嘴内部的流动过程开展可视化研究,并采用一维流动分析方法对观测结果进行了分析。试验首次获得气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动结构可视化图像,图像透明区域的形状随着燃油在收缩通道中膨胀而引起的密度变化而改变。结果表明,喷射压力和喷射温度对燃油在喷嘴内部流动特性有显著影响,燃油密度在不同喷射压力和喷射温度工况下沿轴向及径向的变化趋势存在明显差异,因而在可视化图像上展现出不同大小或形状的透明区域。轴向上,燃油密度变化在喷口处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低、喷射压力的升高而增大。径向上,受温度边界层的影响,燃油密度变化在喷嘴壁面处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低而减小;近临界喷射温度下,亚临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈均匀状,超临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈收缩状。

基于化学杂化和官能团相似耦合方法的RP-3航空煤油反应动力学简化模型构建

真实航空燃料通常包含几十至上百种组分,直接构建其化学反应动力学模型十分困难。本文利用官能团相似法(SCFG),结合实测RP-3航空煤油组分比例,提出了RP-3四组分模型替代物。利用流动反应器,获得了温度为550~1150K,压力为0.1 MPa下RP-3热解数据,基于化学杂化方法(Hybrid Chemistry),构建了以真实RP-3为单一原始组分的航空煤油化学反应动力学模型(XJTURP3-2021),模型得到宏观点火延迟、层流火焰速度以及微观组分浓度系统验证。基于误差传递的直接关系图法(DRGEP)和全局敏感性分析(FSSA)对模型进行简化,获得含41种组分、212个基元反应的RP-3简化模型(XJTURP3r-2021)。与详细模型和实验数据对比发现,XJTURP3r-2021能较好地复现热力边界对RP-3基础燃烧特征影响规律,为解决CFD仿真对反应源项初始组分数量约束和计算精度固有矛盾提供新思路。

超临界状态下RP-3航空燃料射流的数值模拟研究

为了研究高超声速飞行器主动冷却系统中的航空燃料喷射及其影响,对超临界状态下RP-3航空燃料的平孔喷嘴射流进行数值模拟,首先利用Fluent软件进行计算流体动力学(CFD)分析,然后使用多相混合物模型模拟空化两相流,最后采用全空化模型来预测高温条件下燃料的饱和蒸气压对空化产生的机理和影响——当入口压力(P_(in))高达4 MPa时,分析在不同环境压力(P_(∞))下,温度为333~543 K的航空燃料射流。结果发现:随着燃料温度的升高,饱和蒸气压升高,喷嘴喉部空化和出口闪蒸逐渐发生;随着环境压力的降低,压降增大导致喷嘴内的质量流量增大,喷嘴内的流动逐渐从单相流过渡到空化两相流。

低水油比航空煤油RP-3水蒸气重整制氢实验研究

本文以碳氢燃料航空煤油高效制氢为目的,进行了微通道常压重整实验,研究了反应温度和水油比等反应条件对RP-3蒸汽重整的影响,重点考察了产气率、气体产物分布等特征。实验结果表明,反应温度和水油比的增加均提高了重整反应的产气率,有利于H_(2)选择性的增加。随着反应进行,碳氢产物的选择性降低,其中烯烃成为主要碳氢产物,更高的水油比具有更低的烯烷比。含水量的提高增加了H_(2)收率,800℃时水油比3相较于1和2分别增大了152.3%和134.6%;同时降低了反应产生的积炭,较好的抑制高温结焦行为。在反应温度800℃、水油比为3:1时H_(2)选择性最高达到了57.83%,并达到了34.7%的氢气收率,在该重整条件下制氢效果最佳。

RP-3替代燃料自点火燃烧机理构建及动力学模拟

通过对RP-3航空煤油成分的分析,以及对8组替代模型的对比实验,选取了73.0%(质量分数)正十二烷,14.7%1,3,5-三甲基环己烷,12.3%正丙基苯作为RP-3航空煤油的替代模型.使用本课题组自主研发的机理自动生成程序Reax Gen,构建了RP-3替代燃料的高温燃烧详细机理,用该机理模拟了激波管点火延时,并与实验数据进行比较.用物质产率分析和近似轨迹优化算法(ATOA)简化方法简化了详细机理.最后对燃烧机理在不同化学计量比及压力条件下的点火延时做了敏感度分析,考察了燃烧机理在不同化学计量比下关键反应的异同.结果表明,该替代模型的燃烧机理能很好地描述RP-3煤油的高温点火特性.

液滴初始温度对RP-3航空煤油超临界蒸发特性的影响

以超临界环境中RP-3航空煤油的悬停液滴为研究对象,实验研究了其在超临界温度下的蒸发特性受液滴初始温度的影响.通过分析不同初始温度下液滴的无量纲直径的平方、瞬态蒸发常数、液滴寿命和热膨胀率等参数的变化规律后发现,较高初始温度的液滴主要通过缩短初始加热时间来提高蒸发效率,当液滴初始温度从293.8,K升高至373.1,K时,3种不同环境压力下的液滴蒸发时间分别降低了31.55%,、32.25%,和34.73%,.此外,还发现液滴的初始温度越高,其出现超临界散射光斑时的液滴直径越大,出现时间越早.

单个RP-3航空煤油液滴的超临界蒸发实验研究

目前以航空发动机为背景的针对液态碳氢燃料的超临界蒸发研究很少,鉴于未来高性能航空发动机的研制需求,选取国产RP-3航空煤油为研究对象,对液滴的超临界蒸发进行了研究。分析了蒸发过程中不同环境参数下液滴无量纲直径的平方随时间的变化规律,实验结果表明超临界蒸发与常规亚临界蒸发特性存在很大的差异;根据实验结果绘制了液滴蒸发时间随环境参数变化的曲线图,并分析了蒸发过程中不稳定度的变化规律,发现在不同的温度范围内环境压力对液滴蒸发时间的影响规律是截然不同的,同时不稳定度Bi随环境温度及压力的升高而增大;对不同工况下液滴的瞬态蒸发常数以及平均蒸发常数进行了定量计算,分析认为影响液滴蒸发常数的两个主要因素是环境温度和环境压力,且后者占主导地位。

采用双毛细管等流量法测量航空煤油RP-3的动力黏度

为实现超临界压力下航空煤油RP-3的动力黏度测量,在原双毛细管黏度计对比计算法基础上,采用等流量法并引入离心力修正系数对测试段毛细管压降进行修正,测量压力可达10MPa,测量温度范围提高至306.6~673.4K。等流量法根据上下游毛细管质量流量相等,通过测试流体在上下游毛细管中的压降关系及下游测试段毛细管热膨胀系数推算出该流体动力黏度。该方法简便可靠,在所测温度范围内的相对标准不确定度为1.16%~2.92%。通过纯物质十二烷及质量比为1∶1的正辛烷正庚烷二元混合物对等流量法进行标定,试验结果与文献值的相对偏差在±2.18%以内,相对偏差绝对平均值小于0.74%。在压力为3、4、5 MPa,温度为306.6~673.5K的条件下,采用该方法测量了航空煤油RP-3的动力黏度。该方法的应用可为进一步提高超临界航空煤油动力黏度的测量温度范围创造条件。

RP-3航空煤油替代燃料及其化学反应动力学模型

本文提出了40%(摩尔分数,下同)正癸烷、42%正十二烷、13%乙基环己烷和5%对二甲苯的四组分RP-3航空煤油替代燃料模型,并通过实验充分验证了替代燃料模型与实际RP-3航空煤油在理化特性上的相似性.采用对冲火焰实验台架,测量了RP-3航空煤油以及四组分替代燃料的层流火焰传播速度.对比结果表明本文提出的替代燃料能够准确描述实际RP-3航空煤油的燃烧速率.进一步发展了包含168组分、1089反应的半详细反应动力学模型,验证结果表明本文机理能够准确预测RP-3航空煤油着火延迟时间和火焰传播速度.

RP-3航空煤油不同替代模型的空化流动特性

为研究RP-3航空煤油空化流动特性,采用GERG-2004方程构建了4种RP-3航空煤油的物理替代模型并给出其主要物性参数,对收缩扩张流道内航空煤油替代模型、正十二烷(C12H26)和水体的空化流动进行了数值计算研究,计算时考虑了饱和蒸汽压修正及航空煤油物性参数随流场温度变化。结果表明:由45%正十二烷、25%正十烷、5%辛烷、5%甲基环己烷和20%甲苯(摩尔比)组成的替代模型能够较好拟合RP-3的物质属性,可用来替代RP-3进行空化流动计算。常温下航空煤油的初生空化数小于水体,相同空化数下(σ=1.5),水体的空穴长度约为航空煤油的1.4倍,航空煤油的空化强度更弱,液汽交界面较模糊。随着温度的升高,航空煤油空化热力学效应增强,但其在煤油泵工作温度区域内空化热力学效应不显著,在煤油泵空化性能预测时可以忽略煤油空化热力学效应的影响。

DYB-3航空有机玻璃风挡鸟撞数值模拟

运用LS-DYNA有限元软件模拟了鸟撞飞机风挡的过程,风挡模型采用Lagrange方法定义,建立4种鸟体力学模型,定义撞速为450~650km/h,撞击位置为风挡对称线前1/3点、中点、后1/3点.重点研究了不同鸟体力学模型、不同撞击点对风挡鸟撞响应的影响,并对比两种常见的风挡材料在鸟撞下的响应.结果表明:采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和自定义材料的鸟体模型可以模拟鸟体高速撞击风挡呈流体状飞溅的过程,并能准确预测风挡的鸟撞动态响应;风挡前部抵抗飞鸟撞击能力最强,中后部较弱.DYB-3航空有机玻璃风挡在鸟撞仿真中表现出较高的耐冲击性.

RP-3航空煤油及其替代物液滴低压着火特性

使用飞滴法对低压环境下RP-3航空煤油以及其二元替代物(体积分数80%的正癸烷和20%的1,2,4-三甲基苯)液滴的着火特性进行研究.液滴通过储油罐以及高温控压炉内的气压差推进并由平口针头产生,液滴在炉内自发着火并由高速相机记录其着火过程.实验结果表明,随着环境压力的降低,液滴的着火延迟时间呈指数型增加,而环境温度的增加会拓展RP-3煤油液滴的可燃压力极限,并缩短液滴的着火延迟时间,本文通过拟合获得液滴的着火延迟时间与压力及温度的关系式.液滴着火后,火焰增长率随着环境压力的降低而降低,火焰形态由半包火焰向尾部火焰转变.通过对比1100K环境下RP-3及二组分替代物液滴的着火过程,可发现两者的着火延迟时间随压力发展的趋势接近,但替代物由于缺乏大分子组分而更易着火,所以此二元替代物无法准确地预测RP-3航空煤油的着火过程.

RP-3航空燃油非定常空化流动特性研究

采用GERG-2004方程构建了4种RP-3航空燃油的物理替代模型,并给出其主要物性参数,基于雷诺时均方法(RANS)对室温下(298K)航空燃油绕Clark-Y型水翼非定常空化流动进行了数值计算研究,并与同温度下水体空化进行了比较。研究结果表明,由45%正十二烷,25%正十烷,5%辛烷,5%甲基环己烷和20%甲苯(摩尔比)组成的替代模型能够较好拟合RP-3的物质属性,可用来替代RP-3进行空化流动计算。在相同雷诺数下,RP-3较水体更容易发生空化,其初生空化数为2.5。两种流体介质空化的非定常特征基本相同,RP-3空化更为显著,空穴内部含汽量更高,在云状空化阶段(Re=7×105,σ∞=0.8),空化流动非定常准周期变化频率对应的斯特劳哈尔数St小于水体。

不锈钢表面氧化对RP-3航空煤油热氧化结焦的影响

将未经氧化及在高温加热炉中进行预氧化的同种不锈钢薄片浸泡于600mLRP-3航空煤油中,在5MPa压力下将RP-3航空煤油升温至400℃,尔后空冷至常温,利用差重法测量不锈钢薄片表面结焦量。实验研究了静态RP-3航空煤油在不锈钢挂片表面的热氧化结焦情况,分析了材料表面氧化层对煤油热氧化结焦的抑制作用;研究表明,表面氧化处理对不锈钢表面结焦有抑制作用,并且抑制作用随着材料表面氧化程度的加深而加强。

RP-3航空煤油高温骨架机理构建及验证

依据RP-3航空煤油的成分,考虑平均分子量及碳氢摩尔比等性质,本文提出其三组分替代燃料模型,其中正癸烷74.24%、1,3,5-三甲基环己烷14.11%和正丙基苯11.65%(质量分数)。采用机理生成程序ReaxGen得到详细化学反应机理;采用机理简化程序ReaxRed,运用直接关系图法与主成分分析法获得高温骨架机理(79物种,311反应)。该机理针对多个工况进行了点火延迟时间与层流火焰速度的验证,能较好地预测实验结果。路径分析结果表明高温下替代燃料通过氢提取反应、单分子裂解反应及β-断键反应消耗。敏感性分析表明高温点火过程由多种小分子自由基(H、CHO、C2H3等)的氧化及分解反应和大分子燃料的氢提取反应控制;影响火焰传播过程的关键反应来源于C0-C3的小分子核心机理。本文所提出的这个尺寸较小但精度较高的骨架机理可用于发动机燃烧过程的高保真数值模拟。