车用小型化内燃机余热回收ORC系统试验

基于有机朗肯循环(ORC)原理,针对车用内燃机余热回收系统,搭建了集成化试验台架并开展了台架综合性能试验,探究了内燃机余热回收ORC系统小型化优势和上车应用的潜力.结果表明:设计搭建的试验台架主体尺寸为800 mm×750 mm×620 mm,质量为200 kg左右,具有一定的小型化优势;ORC系统整体运行具有较好的稳定性和可靠性,在发动机转速为1300 r/min、转矩为600 N·m工况下,工质质量流量为0.1716 kg/s,蒸发压力达到1.26 MPa,膨胀机运行转速调整为1456 r/min时,ORC系统的输出功率达到2.64 kW.

基于量子化学计算的正己烷热解反应动力学模拟

为研究正己烷(n-C_(6)H_(14))的常压热解特性,提出了正己烷热解(NHP)模型,该模型使用基于误差传播的直接关系图(DRGEP)简化方法和色散校正密度泛函理论的B2PLYP/def2-tzvp方法,得到了一个包含33种物种和134个基元反应的简化机理。利用该模型计算了n-C_(6)H_(14)在不同温度下主要热解产物乙烯(C_(2)H_(4))、丙烯(C3H6)和丁炔(C4H6)的相对摩尔分数,并对n-C_(6)H_(14)的热解过程进行了反应路径分析。利用同步辐射真空紫外光电离质谱法(SVUV-PIMS)结合射流搅拌反应器(JSR)在温度为673~1103K、压力为1atm条件下对n-C_(6)H_(14)进行了热解实验,并与NHP模型进行了对比分析。结果表明:n-C_(6)H_(14)热解过程中最主要的产物是C_(2)H_(4),促使C_(2)H_(4)生成较为重要的两个反应的指前因子分别为6.01×10^(13)s^(-1)和2.18×10^(13)s^(-1)。在673~1023K温度范围内,结合量子化学计算得到的NHP模型对n-C_(6)H_(14)主要热解产物的相对摩尔分数进行了预测,与JetSurF 2.0模型相比,C_(2)H_(4)和C4H6的最大误差分别减小了27.9%和47.9%。反应路径分析表明,C_(2)H_(4)主要来源于己基的一系列β位断裂。

内燃机余热回收低压有机朗肯循环系统性能优化及试验

利用工质比热容与余热源之间的匹配关系,提出了缸套水与烟气余热分别由五氟丙烷(R245fa)工质两相区与过热区匹配吸收的单回路低蒸发压力有机朗肯循环(SLL-ORC),并与复杂度相当的预回热CO_(2)跨临界动力循环(PR-CTPC)进行对比.结果表明:在回收余热温度低、缸套水余热量大的内燃机余热时,SLL-ORC性能较好,其理论最大输出功率为16.13 kW,对应蒸发压力为910 kPa、过热度为80℃,且余热回收系统具有较高的热效率.基于此SLL-ORC构型搭建试验台架,试验验证了缸套水在R245fa工质两相区回收的可行性,在试验测试余热源和透平转速均未达到设计值时系统发电机产生的电能为9.41 kW,有效提升柴油机热效率绝对值可达2.98%.

能源与动力工程专业课程思政实践——以漫谈流体机械课程为例

以弘扬马克思主义科学理论为基本目标,该文以能源动力类专业漫谈流体机械课程为例,进行课程思政实践探索。在专业内容中融入人物、时事、科技及工程内容,力求在历史传承、科学观、世界观、价值观、科学思辨等方面对学生综合素质进行提高,以达到全面提升学生培养质量的目的。

促进氨燃料转化的预裂解器反应动力学分析

在国家双碳背景和节能减排要求下,以氨为燃料的微型燃气轮机是氨利用的热门方向。但其火焰稳定性差和NOx排放等问题亟待解决。设计燃烧器底部燃料喷射和旋流方式,加入旁通管路,利用燃烧器外壁热量使部分氨预裂解为氢气和氮气以强化燃烧。优化氨热解反应动力学模型并利用AnsysChemkin-Pro软件模拟温度和流速对旁路氨转化率的影响。结果表明,当温度达到1500K时,氨开始出现明显裂解行为;在1500~1800 K之间,氨转化率随温度升高迅速升高;当温度高于1800K后,氨转化率超过85%。流速的变化也会影响转化率,但明显小于温度的影响。同时,对不同温度下氨裂解反应路径开展敏感性分析,结果表明氨裂解反应路径受温度影响,在1700 K温度下,反应NH_(3)+NH_(2)⇋N_(2)H_(3)+H_(2)对氨裂解促进效果最显著。结论验证了使用部分预裂解氨稳定燃烧的可行性,可为下一步研究氨单一燃料在微型燃气轮机的稳定燃烧和降低排放提供理论支持。

组建跨校虚拟教研室提升研究生专业课教学质量——车用发动机排放控制技术课程改革探索

组建跨校专家教学团队,采用跨校虚拟教研室模式,以“三全”和“思政”元素融入课堂,探索一条提升研究生专业课程教学质量的途径。以车用发动机排放控制技术课程为例,从教师团队组建、课程内容设置、学生获得感三个方面,紧抓课堂教学主渠道,以多名跨校专家高质量授课形式潜移默化地体现科学家精神和立德树人理念。推崇以科研促进专业课教学,学生掌握必备专业知识,具备工程伦理和思辨思想。课程改革实施后,极大增强学生的家国情怀、爱岗敬业和学科自信,更加积极主动地投身科研,为提升研究生教育质量打下基础。

考虑蠕变三阶段的哈氏合金X蠕变-疲劳裂纹扩展模拟

结合应变硬化定律和连续损伤力学,提出了一种考虑蠕变3阶段的本构模型,对650℃下的哈氏合金X的CT试样进行了裂纹扩展有限元模拟分析.对比分析了不同蠕变阶段对纯蠕变裂纹扩展的影响,使用考虑蠕变3个阶段的本构模型进行了蠕变-疲劳裂纹扩展模拟,讨论了载荷幅值、载荷比和保载时间对裂纹扩展速率的影响,并分析了每种载荷条件对裂纹扩展期间损伤积累的贡献.结果表明:纯蠕变裂纹扩展模拟结果中,考虑所有蠕变阶段的本构模型计算结果与实验结果一致性最高.载荷从5 kN增加到7 kN,考虑蠕变第Ⅰ、Ⅱ阶段的裂纹扩展速率平均预测差异由0.57增至0.61,考虑蠕变第Ⅱ阶段和考虑蠕变第Ⅱ、Ⅲ阶段分别由0.67减至0.64、由0.16减至0.07.蠕变-疲劳裂纹扩展模拟结果显示,随着载荷幅值从5 kN增大至7 kN,载荷比从0.01增至0.50,裂纹扩展速率前者增大、后者减小,da/dt-C t,avg曲线斜率基本不变,同时蠕变损伤占比增大,疲劳和交互损伤占比减小,各加载情况结果的蠕变损伤均占主导,其次为交互损伤,疲劳损伤占比最小.随保载时间从1 s增加到1800 s,循环相关的裂纹扩展速率增大,时间相关的扩展速率减小,da/dt-C t,avg曲线斜率增大,蠕变损伤增大,疲劳损伤减小,交互损伤先增后减,保载时间为10 s时各损伤占比近似相等,保载时间为1 s时疲劳损伤为83%,保载时间为600 s时蠕变损伤为96%.

基于表面辐射声信号的柴油机进气及齿轮故障诊断

利用声振信号进行发动机故障诊断过程中,部分故障激励仅在发动机表面特定位置的振动中有较强响应,振动测点要求高,需要接触测量,部分场景难以实现.为此,提出了一种以表面辐射声为媒介、以自适应变分模态提取(adaptive variational mode extraction,AVME)进行预处理的柴油机进气故障和齿轮故障诊断方法.开展了某直列六缸重型柴油机的进气滤清器堵塞、气门间隙异常和正时齿轮损伤3类故障状态的台架试验,获取了不同故障程度下发动机表面辐射噪声.基于改进的AVME方法,实现噪声信号本征模函数(intrinsic mode function,IMF)的最优分解,通过计算IMF与原信号间的互相关系数,提取高相关IMF构成故障诊断输入.经预处理后,声信号故障特征得到有效增强,再输入到麻雀搜索算法优化支持向量机模型(support vector machine model optimized by sparrow search algorithm,SSA-SVM),进行特征参量和模型参数协同优化可以获得更好的诊断精度.试验验证表明,无需在半消声室测试,仅使用单通道声信号对3类11种程度的进气系统和齿轮故障进行诊断,前端噪声准确率最高(98.89%),顶部噪声准确率最低(88.78%);使用前、顶、后三通道噪声数据后,诊断精度可提升至99.57%.研究结论为基于声信号等非接触测量的发动机故障诊断提供了参考.

金属丝网强化余热回收烟气换热器的试验与数值研究

为探究金属丝网强化元件在余热回收烟气换热器中的应用可行性及其性能表现,对嵌有金属丝网的通道的流动与换热性能开展试验与数值研究。对嵌入不同孔隙率金属丝网的通道进行了试验研究,基于FLUENT软件进行了模拟计算和流场分析,并分析了丝网高度对流动和传热性能的影响。结果表明,相比于传统平直翅片,嵌入金属丝网后通道综合性能指标最大提高58%。综合性能随孔隙率的提高先增后减,0.945为最佳孔隙率。同时,使用高度与流道高度一致的金属丝网,可以获得最佳综合性能。在相同压力损失下,金属丝网通过均匀流体温度、破坏边界层可以比平直翅片通过增加传热面积获得更好的综合性能,证明了金属丝网作为烟气换热器强化元件的可行性。

喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机燃烧稳定性影响研究

基于一台光学发动机,在1200 r/min转速下,采用进气道低压喷射氨气,缸内高压直喷高活性正十二烷的双燃料燃烧模式,应用火焰高速成像方法,研究了喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机缸内燃烧的影响规律.结果表明,直喷燃料喷射压力降低,导致正十二烷浓度分层增大,自燃着火点增多,更有利于正十二烷引燃均质预混合的氨气;直喷压力在30 MPa和60 MPa工况下,火焰初期NH3燃烧的橘色火焰占主导,之后呈现正十二烷预混蓝色火焰与NH3橘色火焰叠加现象;在90 MPa喷射压力下,火焰发展初期正十二烷预混蓝色火焰占主导,随着燃烧发展NH3橘色火焰的比例逐渐增多.在30 MPa喷射压力下,缸内直喷正十二烷可以实现90%氨气比例的稳定着火,但是燃烧反应速率过低,燃烧持续期过长.进气温度从100℃升高到125℃后,自燃着火点数量增加,氨双燃料燃烧反应速率提高,放热率峰值增大;然而进气温度进一步从125℃提高到150℃时,对燃烧压力和放热率影响很小.上述研究表明,较低的直喷燃料喷射压力和适当提高进气温度更有利于氨燃料的稳定着火以及燃烧速率的提升和氨在双燃料中占比的提高.

涂层参数对多孔介质压降与捕集性能的影响

为研究涂层对颗粒捕集器(DPF)在颗粒捕集过程中效率及压降的变化情况、孔道轴向及壁厚方向的沉积情况,建立二维加膜DPF孔道模型.主要考虑颗粒拦截机理和扩散机理、涂层渗透率及厚度等诸参数,研究涂层渗透率和厚度对捕集过程的影响以及对速度增加不利影响的抑制作用.结果表明:入口速度为1 m/s时穿壁速度呈“U形”,入口速度为5 m/s和10 m/s时呈“钩形”,涂层提高进/出口孔道轴线速度的线性,降低末端穿壁速度的峰值;涂层有效提高孔壁的捕集效率并且明显缩短饱和时间,使更多颗粒堆积在孔壁表面,但涂层过低的渗透率使得压降急剧增加;厚度增加使初始捕集效率小幅增加,但无法有效缩短饱和时间,厚度为39.0/23.4μm较为适宜;厚度相较于渗透率对压降的影响较小;大部分颗粒拦截在多孔介质壁的前端,可以防止颗粒进入壁面深处所带来的永久性压降.

基于深度学习的发动机声品质预测模型研究

为建立发动机辐射噪声品质深度学习预测模型,搭建试验台架采集发动机辐射噪声,计算噪声信号心理学客观参数并进行主观评价试验。采用卷积神经网络(convolution neural net‐work,CNN)提取信号特征,引入长短期记忆网络(long short-term memory network,LSTM)模型捕获信号长期依赖信息,利用注意力(Attention)机制使模型自动学习关键特征信息。以心理学客观参数为输入,主观评价得分为输出,建立CNN-LSTM-Attention声品质预测模型,引入改进麻雀搜索算法(improved sparrow search algorithm,ISSA)优化模型超参数,提高预测准确性。研究结果表明,ISSA-CNN-LSTM-Attention模型对发动机声品质具有良好的训练性能和预测能力,训练集和测试集的决定系数分别为0.988、0.981,训练集和测试集的平均绝对误差分别为0.204、0.241。该模型能够准确地反映客观评价参数与主观满意度之间的非线性映射关系,为发动机声品质预测提供了新的思路和方法。

航天器用钾热管传热性能的敏感性分析和优化

碱金属热管在空间核电源系统中具有重要应用,是航天器辐射散热器的重要组件。文章研究钾热管对充液率、吸液芯层数、吸液芯丝网目数及热负载功率的敏感性,并对上述多参数耦合下钾热管传热性能进行优化。分析结果表明:钾热管温差随充液率和吸液芯丝网目数的增加而降低,随吸液芯层数和热负载功率的增加而升高,且钾热管的整体温度和蒸气流速随热负载功率的增加分别升高和降低。钾热管性能对吸液芯层数和热负载功率敏感,优化得到最优参数组合为充液率1.0时7层350目吸液芯和712.475 W的热负载功率。文章采用的分析和优化方法对热管式辐射散热器的工程应用设计具有工程参考价值。

基于Python的CO_(2)/O_(2)氛围下柴油燃烧火焰特征分析

为分析柴油在CO_(2)/O_(2)氛围下燃烧的火焰特征,利用光学定容燃烧室测试并拍摄了6种不同工况下的柴油燃烧过程.基于自编的Python代码对火焰图像进行后处理,提取出火焰浮起长度、红绿分量比、平均亮度、相关性系数、面积变化率和重叠率等特征参数并进行分析.结果表明:在空气和CO_(2)/O_(2)氛围下,柴油火焰浮起长度和相关性均随燃烧进程先增大后减小再增大,平均亮度则先增大后减小,其在空气下和35%CO_(2)+65%O_(2)氛围下的峰值分别为210.75 px和138.89 px.在火焰发展阶段,红绿分量比保持在0.8~1.2之间,而在火焰熄灭阶段,随着CO_(2)浓度减小和O_(2)浓度增大,红绿分量比有所减小.与在空气下燃烧相比,柴油在CO_(2)/O_(2)氛围下的燃烧火焰形状更加细长,湍流现象更加明显,火焰浮起长度缩短,平均亮度下降.

预燃室湍流射流点火甲醇发动机稀薄燃烧和排放特性试验研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)甲醇发动机燃烧特性、性能表现和排放特性的试验研究。结果表明,TJI燃烧模式燃烧速率较快,放热率(heat release rate,HRR)峰值明显较高,且具有更短的滞燃期和燃烧持续期。随着过量空气系数变大,缸内压力和放热率峰值变小,TJI和火花塞点火(spark ignition,SI)燃烧模式滞燃期和燃烧持续期均变长。此外,TJI燃烧模式可有效提升甲醇发动机的稀薄燃烧稳定性,可将稀燃极限拓展至过量空气系数2.0。TJI燃烧模式下平均指示压力略低于SI模式;然而对于过量空气系数大于1.1的稀燃工况,TJI燃烧模式指示燃油消耗率更低,在过量空气系数1.3时低于570 g/(kW·h),说明其具有更好的燃油经济性。TJI燃烧模式下氮氧化物排放量明显低于SI燃烧模式,过量空气系数1.1时降低约37.2%,并且在过量空气系数大于1.3的极稀燃工况具有相对较低的甲醛CH_(2)O和碳氢化合物排放。

低温起动热力学条件下柴油机喷雾着火特性

针对一款V型八缸增压柴油机,首先分析了其低温起动过程中缸内压缩压力和压缩温度的变化规律,然后在定容喷雾燃烧装置中研究了低温起动热力学条件下柴油的喷雾着火特性,分析了背景温度和背景密度的变化过程中喷雾射流滞燃期和着火位置的变化规律.研究发现:随着背景温度降低,柴油自由喷雾着火滞燃期逐渐增加,着火稳定性逐渐降低;背景密度越高,最低着火温度越低;背景温度低于430℃时,柴油射流的着火成功率非常低,很难着火.该研究对提高起动稳定性,降低燃油消耗率和改善排放有重要的指导意义.

发动机进气温度对稀薄燃烧稳定性影响的可视化研究

稀薄燃烧稳定性是先进天然气发动机稳定高效清洁燃烧的重要指标.为了进一步探索改善天然气发动机稀薄燃烧性能的方法,本文基于一台高压缩比单缸光学发动机,采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法,研究了进气温度对天然气发动机稀薄燃烧特性的影响,量化了火焰发展演变与发动机性能之间的关联性.研究表明:提高进气温度可以提升缸内压力和放热率峰值,进气温度从25℃到75℃,峰值压力从3.71 MPa提升至4.49 MPa,峰值放热率从57.17 J/(°CA)提升至64.36 J/(°CA),并且放热过程更为集中,同时结合发动机点火时刻,可进一步实现燃烧相位优化,降低传热损失;可视化燃烧图像显示,高进气温度条件下着火延迟期缩短,初始火焰尺寸增大,后期火焰传播更快,最大火焰传播速度提升至约10.6 m/s,同时火焰前锋趋于向四周传播,火焰形态对称性更好.此外,本文创新性地提出了一种基于可视化图像来量化的已燃质量分数的经验准则来评价初期火焰发展特性,发现提升进气温度主要影响早期火焰发展规律,高进气温度下早期火焰循环变化系数从18.12%降低至7.86%,并且该持续期平均值从13.03°CA降低到了9.25°CA,从而减小了后期燃烧过程的差异,这是天然气发动机稀薄燃烧稳定性改善的主要原因.

掺混策略对聚甲氧基二甲醚/甲醇双燃料燃烧影响的可视化研究

基于一台单缸光学发动机,采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法,开展了不同掺混策略对聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers,PODE)/甲醇双燃料燃烧及火焰发展特性的影响研究,其中掺混策略包括P/M20(甲醇和PODE以2∶8的体积比掺混)燃料双喷射模式和缸内直喷PODE引燃预混甲醇混合气的反应活性控制压燃(reactivity-controlled compression ignition,RCCI)模式。结果表明,对于P/M20燃料双喷射模式,随着气道喷射比例增加,低温反应增强,滞燃期缩短,着火时刻显著提前,进而显著改善了燃烧稳定性;对于RCCI模式,随着气道喷射甲醇占比的增加,滞燃期延长,燃烧相位推迟,峰值压力和放热率均降低,并伴随着燃烧稳定性变差。燃烧可视化显示,两种掺混策略下,随着气道喷射比例的增加,蓝色预混火焰占比增大,最大火焰传播速度降低,由于末端未燃混合气浓度增加,火焰发展由明显的扩散燃烧逐渐转变为末端混合气不断出现新自燃点的顺序自燃模式。对比两种掺混策略可以发现,推迟缸内直喷时刻均能在一定程度上优化燃烧相位,显著改善指示热效率,然而其原因侧重点不同:对于P/M20燃料双喷射模式,提高气道喷射比例可以增强低温放热,促进着火,显著改善燃烧稳定性;对于RCCI模式,其燃烧过程主要位于上止点之后,燃烧相位更接近最佳燃烧相位,进一步减小了传热损失和循环负功,因此其具有更高的指示热效率,也更适合PODE/甲醇双燃料燃烧模式。

甲烷掺混对正庚烷扩散火焰中碳烟结构及氧化活性的影响

基于正庚烷层流扩散火焰系统以及热泳取样和探针取样系统,结合透射电子显微镜和热重分析技术,研究了甲烷掺混对碳烟颗粒的微观形貌、纳观结构和氧化活性的影响.研究结果表明,随着甲烷添加比例增大,碳烟的分形维数和平均基本粒子直径减小,表明碳烟颗粒的团聚程度下降,且生长受到抑制.此外,随甲烷添加比例增大,碳烟颗粒的微晶片层尺寸减小,曲率和层间距增大,表明碳烟颗粒的纳观结构有序度降低.另一方面,随着甲烷掺混比例从0增加到30%,碳烟样品的表观活化能减少了19.5 kJ/mol,氧化反应特征温度下降了20℃左右,表明氧化反应活性提高.氧化活性的升高与碳烟颗粒纳观结构有序度的下降和分形维数减小有关.

二氧化碳混合工质临界参数计算模型对比研究

二氧化碳(CO_(2))混合工质是具有应用潜力的动力循环工质,临界参数作为CO_(2)混合工质的关键基础热物性,对其进行准确地计算和预测具有重要意义。采用4种不同类型的计算模型,分别针对CO_(2)+HFC、CO_(2)+HFO和CO_(2)+HC三类二元混合工质的临界温度和临界压力进行了推算,并与公开发表的实验数据和REFPROP数据库计算结果进行对比,分析讨论了各种计算方法对各类CO_(2)混合工质的适用性。结果表明,Li方法形式简单,混合物临界温度的计算式仅与纯质组分的临界温度及临界体积有关,可用于CO_(2)+HFC和CO_(2)+HFO混合工质临界温度的快速推算。对于CO_(2)+HC混合工质,RK方法计算偏差最小,该类混合物临界参数实验数据点数和套数较多,因此可直接通过RK方法回归得到关联式进行应用。