氦低温透平膨胀机热力性能数值模拟与实验测试

为了深入研究氦透平膨胀机在降温过程及低温条件下的热力学特性,依托ADS 500 W/4.5 K低温制冷机建设了80 K温区的实验系统,进行了氦透平膨胀机的低温变工况测试。测试的氦透平膨胀机主轴轴径为12.00 mm,采用动压氦气体轴承支承,最高转速可以达到252130 r·min^(-1)。在膨胀比为1.88时,膨胀机最大出口温降达到8.1 K;在膨胀比为2.07时,等熵效率达到最高值71.2%。以实验用氦透平膨胀机尺寸及测试工况为基础,建立了透平的数值模型。采用商业软件ANSYS CFX对透平的热力性能及降温特性进行了数值模拟,得到了相应的理论温降曲线。研究结果表明:所建数值模型能够较好地预测该氦透平膨胀机的温降过程,膨胀机出口温度的实验值和计算值结果最大相对偏差为0.45%;所测试的低温氦透平具有优良的热力性能和降温特性,测试的动压氦气体轴承表现出良好的支承稳定性,数值计算和实验结果可为后续相关研究和大科学装置的应用提供参考。

乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展行为实验研究

为探究表面张力对液滴冲击过冷水平壁面铺展动力学行为的影响,搭建了可视化实验系统,探究了乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为,分析了水平壁面过冷度对低表面张力液滴冲击铺展动力学行为的影响。实验中,采用亲水硅水平壁面及较小的冲击速度以观测乙醇液滴冲击过冷水平壁面的铺展动力学行为。此外,还比较了不同的最大铺展因子和最大铺展时间的典型模型对乙醇液滴冲击过冷水平壁面铺展动力学因子的适用性。结果表明:乙醇液滴冲击过冷亲水水平壁面的铺展动力学行为分为飞溅、铺展、稳定3个阶段;最大铺展时间随水平壁面过冷度的增大而减小;水平壁面过冷度对最大铺展因子的影响是非单调的,在水平壁面过冷度较低时,最大内部铺展因子减小起主要作用,在水平壁面过冷度较高时,由于瑞利-泰勒不稳定性的增强,无量纲手指状突起增大起主要作用,二者共同作用造成了非单调变化;现有模型对于最大铺展时间的预测效果较好,相对平均偏差为6.05%,而对最大铺展因子的预测效果较差。

氦透平膨胀机相似模化方法分析与实验验证

由于氦透平膨胀机在设计工况下进行低温性能测试的实验平台和配套设施很难满足要求,且低温工况较难达到,因此通常用膨胀机在空气中的实验来检验其性能,并通过相似模化方法得到膨胀机低温下的性能。通过分析工质在透平膨胀机中的流动及能量转化过程,发现特性比U1/CS、膨胀比P1/P2、马赫数Ma、雷诺数Re是影响膨胀机性能的关键参数。结合相似理论,以透平膨胀机变工况性能预测程序计算结果为依据,筛选出了以U1/CS为第一相似准则,以Ma、k^(−1)·Ma^(−2)、Ma·k^(−1)、k·Ma^(2)作为第二相似准则的四组相似准则数。以流体动力学计算结果为依据,从四组相似准则中选择出了模化误差最小的相似准则,即U1/CS与Ma·k^(−1)组合。结果表明:相似模化前后氦气与空气透平膨胀机间等熵效率的最大误差在±1.4%以内,且在内部流场预测(马赫数、速度分布)等方面具有良好的模化效果;氦透平膨胀机在设定工况下和空气透平膨胀机在相似模化工况下的等熵效率实验数据显示,两者变化趋势一致且误差小于1%。

机翼混合相冰晶结冰现象的数值研究

为探究冰晶与过冷水滴共存时的混合相结冰特性,基于FENSAP-ICE结冰计算平台,以NACA0012翼型为研究对象,采用阻力系数对非球形冰晶的运动过程进行修正,考虑了冰晶黏附效应和侵蚀效应的影响,建立了欧拉框架下冰晶运动、碰撞、黏附、结冰和侵蚀全物理过程的混合相结冰数值计算方法。分析了冰晶质量浓度(ice water content,IWC)、液态水质量浓度(liquid water content,LWC)以及冰晶黏附和侵蚀效应对结冰形态和结冰厚度的影响规律,对比了NTI和NRC两种冰晶黏附模型的适用条件。研究结果表明:当总水含量(total water content,TWC)一定时,随着冰水含量比IWC与LWC之比的增加,结冰覆盖面积逐渐减小,最大结冰厚度先增大后减小,冰形由冠状逐渐变为尖角状,当IWC与LWC分别为0.4 g·m^(-3)和1.0 g·m^(-3)时,驻点处的结冰厚度达到最大值;对于高IWC工况,NRC黏附模型的驻点结冰厚度更接近实验结果,误差为7.2%;对于低IWC工况,NTI模型与NRC模型的驻点结冰厚度接近;侵蚀作用主要影响翼型驻点附近的区域,IWC或LWC的增大均会加剧侵蚀效应。研究可为飞行器高效防除冰系统的设计提供理论依据。

用于极寒地区的空气透平循环热泵可行性分析

南极的气候极端,最低温度可达-80℃,平均低温约为-40℃,为科考人员提供适宜生活环境成为挑战。传统的取暖方式在这种极端环境下存在问题,尤其是蒸气压缩式热泵在-40℃极寒温区下蒸发压力过低,无法正常运行。提出了空气透平循环热泵作为解决方案。该热泵以空气为工质,通过气体压缩和膨胀转移热量,没有相变,不存在蒸发压力低无法运行的情况。并且开式空气循环可以方便的切换为新风模式。研究结果显示,空气透平循环热泵新风系统在-40℃极寒温区制热时,仍然能正常运行并保持1.5以上的COP。空气透平循环热泵的优势包括适应极端低温、可提供新风、采用自然工质不存在环境污染和泄漏问题、系统简单可靠、低维护成本等。

悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合数值分析

工作温度是影响轴承性能关键因素之一,为了深入分析轴承气膜温度变化对箔片轴承承载特性的影响,本文中建立了考虑冷却气实际流动特性的悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合模型,研究了轴承间隙、转速以及冷却气流速变化时悬臂箔片轴承气膜压力场和温度场等的变化规律.研究结果表明:随着轴承间隙减小以及轴承转速增大,气膜表面温度逐渐升高,其中气膜高压区温度上升更快,气膜温度与轴承间隙呈现线性变化趋势,气膜温度与转速呈现非线性增长的趋势,相比于轴承间隙,轴承转速升高对润滑气膜温度场影响更大,气膜温度过高可能会造成轴承热失效,因此需要深入研究工作温度对轴承性能的影响;随着冷却气流速增大,轴承承载力和气膜温度逐渐减小.冷却气流速增大到一定程度时,降温效果不再发生明显变化.

液氧零蒸发贮存逆布雷顿制冷机原理样机设计分析

针对液氧零蒸发贮存对90 K温区制冷量的需求,选择了透平—逆布雷顿制冷机的技术方案,进一步对空间应用背景的20 W@90 K逆布雷顿制冷机原理样机进行了理论研究。从工质种类的选择、质量流量、工作压力等几个方面对比,对关键部件展开热力学设计和数值模拟,分析了系统设计中不同参数对压缩机、膨胀机关键参数以及回热器效率的作用,判定了影响逆布雷顿制冷机整体效率的关键因素,确定系统关键设计参数,为采用逆布雷顿循环的空间大冷量低温制冷系统设计提供了依据。

-120℃空气制冷深冷冰箱样机开发及性能测试

为了验证以电驱透平膨胀-压缩一体机为核心部件的闭式逆布雷顿空气制冷系统在深冷冰箱中应用的可行性,探究闭式空气制冷系统在深冷冰箱温区的工作特性,本文开发了制冷量为200 W制冷温度为-120℃的空气制冷深冷冰箱原理样机,开展了该原理样机降温过程及不同热负荷条件下的变工况特性研究。结果表明:所开发的空气制冷深冷冰箱系统运行可靠,降温速率快,系统满功率运行降温至-100℃耗时仅3 h,最低制冷温度达-126℃;系统在设计制冷温度-120℃下制冷量约215 W,同时系统COP为0.08。

采用动压轴承的高速液氮离心潜液泵设计

针对低温流体泵小型化和潜液的需求,提出了一种基于液体动压轴承的高速液氮离心潜液泵的新结构。建立高速离心式液氮潜液泵的设计方法,着重探讨了低比转速离心泵的水力部件设计、液氮动压轴承开发、两级增压泵内轴向力平衡等关键环节。采用CFD仿真软件对液氮潜液泵的叶轮流道流动状态进行数值分析,结果表明增加诱导轮可提高泵的汽蚀性能,泵的水力性能结果符合设计预期,通过数值模拟和实验结果对比分析验证了泵设计的准确性和可靠性,为小型低温流体泵送应用提供参考。