共轨柴油机燃用生物柴油的排气颗粒粒径分布及核态纳米颗粒生成机理研究

在新一代轿车用共轨柴油机上对生物柴油及柴油燃烧排放的颗粒粒径分布和纳米颗粒的生成机理进行了研究．试验结果表明，柴油机的颗粒粒径分布为双态分布：核态和聚集态，基本以50nm为分界线．在2000r／min，50N．m工况下，颗粒粒径分布为单一的聚集态分布，当转矩超过100N．m后，颗粒粒径分布从单态转化为双态分布．对于本试验中的生物柴油混合燃料，当燃料混合比小于60％，发动机高负荷下其粒径分布也为双态，相同条件纯生物柴油的颗粒粒径分布仅为单一聚集态．低负荷时，对比所有燃料的颗粒粒径分布都为单一聚集态．生物柴油混合燃料可以明显降低柴油机的聚集态颗粒数量浓度．而颗粒中核态纳米颗粒的形成可解释为随着负荷的增大，燃料的耗油量和排气温度的上升，燃烧生成的SO2被氧化催化器转化为SO3，其水化物硫酸的形成促成了核态纳米颗粒的形成．所以生物柴油混合燃料的硫含量决定带有氧化催化器的轻型柴油机的纳米颗粒的形成和数量．     

垂直喷淋式MOCVD反应器中射流影响的研究

针对垂直喷淋式MOCVD反应器的射流现象进行数值模拟研究.通过改变反应腔高度、喷口间距、喷口速度、托盘转速等,对反应器内的流场、温度场、浓度场随上述参数的变化进行详细探讨,进一步探索MOCVD反应器中射流影响的规律.通过模拟发现:(1)在喷口下方的反应腔空间,射流速度、温度和浓度均存在周期性波动,此波动由衬底中心到衬底边缘逐渐衰减;(2)衬底中心处的垂直射流速度大于周边的速度,中心浓度高于边缘浓度,中心温度低于边缘温度;(3)增加反应腔高度,减小喷口间距,减小喷口速度、增加衬底转速,均有利于衬底上方轴向速度和反应前体浓度沿径向分布的平缓.     

制备血管支架表面涂层超声波喷涂工艺研究

本文从理论推导、流体力学仿真、喷雾粒径检测分析以及支架喷涂试验四个方面研究超声波喷涂技术并成功应用于血管支架喷涂工艺的优化.首先基于超声波雾化物理模型推导建立超声雾化粒径方程,其次利用计算流体动力学模拟超声雾化微观过程,定义超声雾化过程的三种雾化模式：亚雾化模式、理想雾化模式以及射流雾化模式,并建立了超声雾化临界振幅方程以及理想雾化模式下的雾化体积和功率方程.然后设计超声喷雾粒径检测实验,研究功率、气体压力、表面张力等工艺参数对雾化粒径的影响,结果表明超声波喷雾运动过程中少量粒子碰撞合并,但喷雾质量总体稳定,粒径尺寸在10m左右.在粒径尺寸分布方面,利用Rosin-Rammler分布拟合超声喷雾粒径均匀度指数在7.11～11.48之间,相比传统喷雾技术雾化均匀性、可控性大大提高.最后,在上述研究基础上制定血管支架超声喷涂工艺参数并进行了优化,消除了常见的血管支架涂层表面各种缺陷,为制备性能优良的血管支架表面涂层提供了理论和技术支撑.     

细水雾作用下固体池火熄灭时间的实验研究

利用三维激光粒子动态分析仪测量距离细水雾喷嘴不同位置的雾场特性(雾滴速度、雾滴粒径), 选择东北红松和PMMA作为固体燃料研究了细水雾与固体池火的相互作用过程, 重点考察燃料特性、细水雾施加流量以及喷嘴距离燃料试样表面的高度对熄灭时间的影响. 结果表明, 随着细水雾流量的增加, 灭火时间均下降, 在同一个流量条件下PMMA的灭火时间比松木长. 在小流量的情况下, 喷嘴离燃烧试样表面越远, 灭火时间越短. 固体池火的熄灭主要由于燃料表面的冷却.     

三角翼前缘涡轴向速度的数值模拟研究

本文通过数值模拟的方法研究了雷诺数和攻角对76°大后掠三角翼和50°中等后掠三角翼前缘涡轴向速度的影响.前缘涡速度沿轴向的变化趋势反映了三角翼前缘涡的产生、发展及其演化过程,计算结果表明,后掠角、攻角和雷诺数共同影响前缘涡轴向速度的发展和展向分布特征,其中雷诺数是最重要的影响因素.较高雷诺数下,大后掠三角翼和中等后掠三角翼前缘涡轴向速度呈现出常见的射流型轴向速度分布;而降低雷诺数至105以内时,中等后掠三角翼前缘涡轴向速度剖面为尾流型,大后掠三角翼在较小攻角下也表现出尾流型的特征.     

柴油高压喷雾燃烧火焰碳烟颗粒形貌及其纳观结构分析

柴油机是热效率最高、单位体积和比功率密度最大、应用最广泛的动力装置之一.但柴油机喷雾混合扩散燃烧的本质会导致颗粒物的大量产生.为了深入了解柴油机缸内温度和压力条件下喷雾火焰中碳烟颗粒的生成及其演化的详细机制,本研究利用热泳探针采样及高分辨透射电子显微镜成像(HRTEM)的方法对定容燃烧弹(CVCC)中柴油喷雾火焰中生成的颗粒进行了采集并结合成像分析研究了其表观形貌、纳观结构的特性,并进一步提取了其形貌结构的参数.本文还详细考察了不同负荷(喷油量)对基元颗粒和团聚体的形态特征及分形几何参数的影响.结果表明,随着喷油量的升高,团聚体分形维数增加,团聚体颗粒结构越来越紧凑.不同喷油量下的基元粒径呈正态分布,粒径随喷油量的增加而增加.颗粒的微晶长度随喷油量增加而增加,但微晶曲率和微晶碳层间距随喷油量增加而减少,由此表明随着喷油量的增加,颗粒样品的石墨化程度提高,氧化活性下降.我们在此基础之上还进一步分析了回转半径、颗粒投影面积、圆度和球度、基元粒子数等相关参数的结果.     

高压水旋转射流喷嘴的外部流场数值模拟

运用fluent软件对高压水旋转射流喷嘴的外部流场进行数值模拟。结果表明：高压水旋转射流不同于普通圆形射流，其能量不是集中在射流中心部位，而是集中在一定半径的圆环上，并具有明显的扩散现象。轴向速度从离开喷嘴后开始衰减，随着旋流强度的增加，衰减速度明显加快。模拟的结果为喷嘴参数的设计选取提供一定的理论依据，对实际工程具有一定的指导意义。     

基于灰度差异与自相关的粒子速度/粒径同场实时测量

曝光时间不同, 粒子的数字图像的灰度也不同. 本文基于双曝光粒子像点各像素灰度总和的差异以及数字图像的自相关处理, 实现了流场粒子速度/粒径的同场实时测量. 介绍了该测量方法的理论基础、流场成像及数字图像处理流程, 并对分别添加有35 和75 μm 标准粒子的低速流场进行了速度/粒径的同场实时测量. 图形化结果显示该方法得到的速度/粒径信息能够反映流场的真实流动情况; 另外, 除分布范围略有不同外, 速度/粒径测量结果整体接近正态分布, 中心峰值与预设数值一致. 表明该测量方法能够满足一定的测量精度, 可进一步用于燃油喷雾场等高速流场的速度/粒径测量.     

细水雾作用下固体池炎熄灭时间的实验研究

利用三维激光粒子动态分析仪测量距离细水雾喷嘴不同位置的雾场特性（雾滴速度、雾滴粒径），选择东北红松和PMMA作为固体燃料研究了细水雾与固体池火的相互作用过程，重点考察燃料特性、细水雾施加流量以及喷距离燃料试样表面的高度对熄灭时间的影响。结果表明，随着细水雾流量的增加，灭火时间均下降，在同一个流量条件下PMMA的灭火时间比松木长。在小流量的情况下，喷嘴离燃烧试样表面越远，灭火时间越短。固体池火的熄灭主要由于燃料表面的冷却。     

超声速气流中喷射角度对射流混合特性的影响研究

本文采用AUSMPW格式,求解全NS方程加SST双方程湍流模型,研究了超音速气流中横向喷射的流场.数值模拟给出了流场中由于射流喷射引起的附面层分离、马赫盘等现象,计算结果的壁面压力分布和试验结果吻合较好.在此基础上重点分析了喷射压力和喷射角度对燃料混合特性的影响.     

几种超声速横向射流方案混合特性的数值研究

本文首先发展了AUSMDV格式结合k-ωSST湍流模型的数值模拟方法,利用三维圆孔垂直喷氢实验算例验证了数值方法的可靠性.在确定质量加权平均总压和混合效率作为喷射方案性能评价标准的基础上,基于所发展的数值方法研究了不同喷射方案的混合特性.研究发现：超声速横向射流的近场混合主要由对流输运控制,而远场混合主要由质量扩散控制;圆孔喷射与狭缝喷射造成的总压损失相当,但圆孔喷射的三维绕流特性可使其导致更高的混合效率;圆孔喷射时,喷射角的变化主要影响射流近场的混合程度,喷射角120°为最优的喷射角喷孔间距与喷孔直径的比值增大时,可导致更高的混合效率,但也可相应带来总压损失的大幅增加;采用缩小喷孔面积而保证燃料质量流量不变的方法设计二级喷射方案时,其所引起的总压损失相比于单级喷射的增幅较小,而导致的混合效率增幅较大,因此二级喷射的混合性能优于单级喷射.本文的研究成果可为超燃冲压发动机燃烧室内燃料的喷射方案设计提供依据.     

新型矩阵式微射流热沉性能分析

设计一种带有回流结构的矩阵式微射流热沉,采用实验和数值模拟方法对热沉性能进行了研究.在稳态条件下,获得了不同运行和结构参数时被冷却表面的温度分布、流体的速度场以及系统压损.结果表明:冲击距离对热沉性能影响较大,其值越小,平均努赛尔数越大,被冷却表面的平均温度越低,换热均匀性越好;被冷却表面平均温度与气体体积流量成反比;系统压损随着射流雷诺数的增大不断增大,雷诺数大于5500以后,压损急剧增加;换热均匀性与气体体积流量成反比,气体体积流量越大,换热均匀性越好.     

单斜无颠簸或震动高速重载无缝钢轨焊接结构的静态力学解析

当今高速、重载无缝焊接铁路的轨枕、路基及焊接工艺和焊接材料都有了很大的改进,但是焊接面与钢轨的方位关系,仍基本沿用的是185年前铁路在英国首次出现时的方位结构,即焊接面垂直于钢轨轴向.因此,钢轨焊缝承受的是垂向纯剪应力、横向纯剪应力和轴向纯拉应力.纯剪应力和纯拉应力均属危险应力,在高速、重载的长期运行条件下会造成断裂隐患.而且在车轮通过焊缝时难以从根本上避免列车的垂向颠簸或横向震动.为此,本文提出与钢轨横向成α角或与钢轨垂向成β角的单斜焊接面,从几何方位结构和受力状态进行解析,由此可基本消除车轮的垂向颠簸或横向震动,并能显著增加焊接面的承载能力、减少焊接面轴向纯拉和横向纯剪的能力.     

放置于驻点的合成射流控制圆柱涡脱落模式的实验研究

将合成射流同时放置于圆柱前、后驻点位置,利用PIV测速技术,在水槽中进行了合成射流控制圆柱绕流的实验研究.在来流雷诺数、合成射流激励器振幅为固定值的情况下,使合成射流激励频率fe为尾迹涡固有脱落频率f0的1到3倍,应用频谱分析和本征正交分解(Pro-per Orthogonal Decomposition,简称POD)等方法,研究了合成射流对圆柱绕流结构的控制效果.随着激励频率的增加,合成射流的影响范围沿流向逐渐扩大,并且激励频率逐渐取代尾迹涡脱落的固有频率主控全流场.不施加控制以及fe/f0=1,2时,前两阶POD模态分布规律及模态系数的频谱分析均体现出尾迹涡固有的反对称脱落特性.激励频率fe/f0=2,3时,尾迹涡脱落模式的变化以及激励频率的主频特性在第3,4阶模态分布及模态系数变化中得到了很好的体现.激励频率fe/f0=2时,尾迹涡脱落兼有对称与反对称模式;激励频率fe/f0=3时,合成射流涡对在近尾迹剪切层诱导产生对称的尾迹涡结构,但是在向下游发展过程中逐渐演化为反对称模式.     

距离对合成射流涡环撞击壁面的影响

利用二维PIV测速技术研究了射流孔口与壁面距离对合成射流涡环撞击壁面过程的影响，分析了涡环撞击壁面的演化规律，给出了流场的统计特性．研究结果表明，不同的孔口与壁面距离的差异，最终体现在涡环靠近壁面时涡量强度及撞击速度的差异；基于孔口直径的无量纲距离接近或小于合成射流无量纲冲程时，涡环撞壁会在壁面附近诱导产生二次涡结构．因此，合适的孔口与壁面距离对涡环撞击壁面效果起着至关重要的影响．流场统计特性分析表明，涡环撞壁后形成壁面射流，其时均速度最大值衰减速率和射流半宽度扩展速率随孔口与壁面距离的增加而减小．无量纲化的壁面射流速度型均表现出自相似特性，并且与壁面层流射流的理论曲线吻合较好．     

超声速气流中稳焰凹腔吹熄极限分析与建模

吹熄极限的研究对于超燃冲压发动机燃烧室中稳焰凹腔和燃料喷注方案的设计具有重要学术意义和工程应用价值．针对凹腔上游喷注燃料的火焰稳定过程进行了研究，从理论上分析了超声速气流中凹腔稳定燃烧的贫燃与富燃吹熄机制，基于剪切层稳燃模式，进一步考虑流场的三维结构，并结合横向射流穿透与混合模型，在有效当量比的计算、凹腔的卷吸过程以及燃料射流与凹腔剪切层／回流区的质量交换等方面改进了已有模型，重新定义了与吹熄过程密切相关的Damokhler数和有效当量比，并以两者关系为准则建立了描述富燃和贫燃吹熄极限的数学模型，进而通过实验数据验证了模型的有效性．     

基于欧拉模型的淹没射流冲刷数值模拟

采用Eulerian双流体模型对二维淹没射流作用下的无粘性沙床冲刷进行数值模拟,水沙两相间以及沙粒之间的相互作用通过动量交换和相间作用力体现.分别针对Aderibigbe等人的轴对称实验和本文设计的平面二维实验进行计算,动态平衡状态下冲坑剖面形态的计算结果与实验结果吻合较好.分析结果表明：不同冲刷强度下射流水体速度场具有不同的特征;沙粒受水体作用力、重力和沙粒间的摩擦力的综合作用,在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,水体作用力决定沙粒的运动方式,从而影响冲坑的最终形态;孔隙度是影响冲坑形态的重要因素,在本文的研究范围内,随着孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,冲坑深度增加.     

一种孔隙率可控薄膜材料快速生长成形方法及过程模拟

提出采用等离子喷涂技术, 通过改变喷涂参数来生成具有孔隙以及孔隙率可控薄膜的方法. 首先建立了熔融粒子的扁平化模型和扁平粒子堆积模型, 在模型中考虑用涂层内的小缝孔隙和台阶孔隙来模拟喷涂角度对孔隙率的影响. 对孔隙生成的机理以及喷涂角度对孔隙率的影响的模拟和实验研究结果表明: 所提出的方法可以生成孔隙率可控的薄膜, 薄膜层的孔隙率随着喷涂角度的减小而增加. 生成涂层的孔隙率可以达到49%. 当喷涂角度小于30°时, 大量粒子累积的遮蔽效应导致涂层内形成遮蔽孔隙, 使涂层的孔隙率迅速增加; 粉末粒度和粒子速度等参数对孔隙率也有影响. 通过连续改变喷涂角度的方法还可以获得孔隙呈梯度分布的薄膜材料.     

合成射流环量控制翼型增升技术

研究采用合成射流代替传统吹气式环量控制翼型增升技术,将其应用于控制NCCR1510-7067N翼型的环量,采用商用软件Fluent求解二维非定常Reynolds平均NavierStokes方程组,通过分析零度攻角下翼型的气动力特性、漩涡结构等,研究了合成射流翼型环量控制的机制和效果.结果表明采用合成射流可以有效实现对翼型的环量控制,射流吹程和吸程均可以有效推迟翼型后缘分离点,增加翼型环量.在本文研究中,零度攻角下合成射流的增升效率C/C=114,远高于传统吹气式环量控制的增升效率12.1.     

射流频率对转子失速裕度影响的探索

转子叶尖射流能够有效的提高压气机的失速裕度,其中,周期性射流是研究中常见的射流形式.本文的目的在于探索射流频率对转子失速裕度的影响.采用非定常数值方法对不同频率射流作用下的转子流场进行了模拟.对不同频率射流作用下转子失速裕度的对比发现,存在一个转子扩稳的最优射流频率,当射流频率远离这个最优频率,射流扩稳效果逐渐降低.对于本文的转子,最优射流频率与叶尖泄露涡振荡频率之比约为1.5.对98.5%叶高位置叶片负荷的时均分布分析发现,与其他射流频率相比,最优射流频率下转子前缘附近负荷最低,因此能够推迟失速的发生.