扫气式预燃室射流点火燃烧特性的实验研究

低碳燃烧概念的出现使得内燃机节能减排势在必行.废气再循环稀释燃烧作为一种提高热效率、降低排放的技术手段,有很大的应用价值.本文针对废气稀释下燃烧不稳定问题,提出一种扫气式TJI装置.基于可视化定容燃烧弹研究了火花塞点火SI、被动式TJI和扫气式TJI在不同CO2浓度下的射流及火焰发展过程.研究发现TJI能够形成较强的湍流燃烧,相较于SI有更快的燃烧速率.随着二氧化碳浓度的升高,火焰传播速度下降. TJI的射流出现时刻大幅推迟、射流强度逐渐降低,主燃室燃烧速率下降.通过对预燃室进行主动扫气可以改善预燃室内混合气状态,使得预燃室混合气在点火后燃烧速度加快,且射流强度不受二氧化碳浓度的影响,从而加快主燃室内的燃烧,拓展二氧化碳掺混极限.预燃室内当量比为1时射流强度最大.扫气模式下,二次扫气能更彻底地改善预燃室内混合气状态.相较于一次扫气更能提高射流强度,从而加快主燃室内燃烧.采用二次扫气策略可以提升主燃室稳定燃烧二氧化碳浓度极限至30%.     

聚合物小尺寸燃烧中的传热阻碍

固体燃面上方流动和扩散的气体？炭黑（soot）混合介质对火焰热量反馈（包括外界热源辐射传热）的阻碍作用称为火焰传热阻碍,它影响着燃烧速率和释热速率.这一影响应当在火灾蔓延理论模型中定量体现.小尺寸燃烧的机理研究对于全面描述全尺寸火行为至关重要.在火蔓延实验装置上,以非直接测量方式定量研究了不同环境氧浓度时的火焰传热阻碍,并提出了传热阻碍现象的实验证据和测量途径.同时建立了独立于实验的、着重描述火焰介质吸收与发射的一维稳态扩散火焰模型,进一步从物理本质上揭示了现象的机理和规律.研究发现火焰的传热阻碍系数可高达0.3至0.4,且基本不随外加辐射强度变化而变化,但随环境氧浓度升高而增大.实验数据与模型计算结果符合程度较好.     

氢燃烧单步反应模型和输运系数模型的建立

提出了更为合理的氢气-空气混合物的单步反应模型和输运系数模型建立方法.针对氢-空气单步反应方程式H2＋0.5O2→H2O,其反应速率模型为=1.13×1015[H2][O2]exp（46.37T0/T）mol/（cm3s）,输运系数模型为=K/CP=D=7.0×105T0.7g/（cms）.采用该模型和文献模型对ZND爆轰和自由传播层流火焰进行模拟,二者结果具有很好的一致性.另外还采有本文模型模拟了障碍通道内燃烧转爆轰过程,模拟结果与实验结果基本一致.验证了本方法和模型的正确性.     

晶硅电池温变过程中的输出参数及温度场特性

利用有限差分法,分析了环境温度从250 K变化到500 K,且电池前后表面存在两种温差时,晶硅电池输出参数的温度特性及电池内部温度场的分布情况.研究表明:当电池前后表面温度相同,且温度逐渐增加时,短路电流基本不变,开路电压以0.02 V/K的速率线性减小,电池效率以0.07%/K的速率线性降低,温度场分布不均匀现象主要集中在接近电池前后表面的区域,最大温度梯度达?0.0002 K/?m;当电池前后表面存在1.5 K温差,且温度逐渐增加时,电池各输出参数均出现不同程度的改善,特别是开路电压相对无温差时可增加0.25%~1.2%,电池效率相对无温差时可增加0.4%~1.5%,温度场分布出现明显偏离由前后表面温差决定的温度梯度(0.0075K/?m)的现象.     

H2/O2/Ar可燃气体激光诱导火花点火的实验研究

对H₂/O₂/Ar可燃气体激光诱导火花点火进行了实验研究. 采用Nd:YAG激光器产生的 532 nm激光聚焦击穿气体点火, 并采用激光高速纹影系统对不同初压、激光点火能量、氩稀释度可燃气体点火的火焰结构进行了流场显示. 结果表明, 气体击穿形成椭球形等离子体, 稀疏波与等离子体作用, 在等离子体迎光侧和背光侧分别形成一对反旋的螺旋环, 导致等离子体和随后的火焰面向内弯缺, 在等离子体左侧激光轴附近形成一个向外凸出的气瓣. 等离子体的高温气体诱导火花核的形成, 受壁面反射弱激波或压缩波的作用, 初始层流火焰减速. 弧形火焰阵面与壁面的作用及其与激波或压缩波、稀疏波等作用, 导致层流火焰向湍流火焰转捩. 对摩尔比为2:1:10、初压为53.33 kPa, 激光诱导火花点火的激光器最小输出能量为 15 mJ. 随预混气初压的升高, 激光点火能量越高, 降低氩稀释度, 会加快火焰阵面传播速度.     

大型水泥分解炉O_2/CO_2燃烧的数值模拟研究

水泥行业是CO_2排放量仅次于电力行业的第二大源头, CO_2引起的温室效应正不断加剧,因此CO_2减排刻不容缓,水泥炉窑O_2/CO_2燃烧技术在CO_2减排方面具有很大的应用价值.本文选取3200 t/d水泥生产线TTF型分解炉为研究对象,采用天河二号超级计算机,开展大规模并行计算CFD仿真数值模拟,研究了煤粉混合空气燃烧与煤粉混合O_2/CO_2燃烧对炉内速度场、温度场、物料组分分布及NOx浓度分布的影响.结果表明:O_2/CO_2燃烧技术与常规空气助燃方式相比,炉内速度场分布及生料分解率基本一致,不会影响分解炉的正常工作,而且炉内超温区域减少,高温刷墙现象得到有效缓解;同时分解炉出口排放的NOx浓度极大减少,由995 mg/m3大幅降低至96 mg/m3,从而可以取消后续脱硝处理工艺,节省投资;另外,分解炉出口烟气中近乎纯净的高浓度CO_2也非常有利于回收再利用,可以有效缓解温室效应.     

高焓流动中电子密度的静电探针测试技术研究

高焓激波风洞能够产生模拟高马赫数飞行条件的气流总温,是研究高温气体效应以及通讯中断问题的有效地面试验设备.本文在JF-10高焓激波风洞总焓16 MJ/kg、总温7900 K的高超声速试验气流状态下,采用能够获得足够空间分辨率且不影响流场结构的针状探针,发展了静电探针测试技术并对10°尖劈模型流场进行了电子密度测量.试验结果表明:研制的探针能够获得模型流场空间电子密度分布规律且具有较好的测量重复性;恒定偏压方法能够获得耦合流场参数的无量纲电子密度,而发展的新型高频扫描电路能有效降低扫描电路中的干扰噪音,提高测量的精度,获得定量电子密度值.     

Cl2/Ar/BCl3感应耦合等离子体GaN/Al0.28Ga0.72N的非选择性刻蚀

利用Cl₂/Ar/BCl₃感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术对GaN与Al_0.28Ga_0.72N材料之间的非选择性刻蚀和刻蚀以后GaN/Al_0.28Ga_0.72N异质结的表面物理特性进行了研究. 实验表明, 优化等离子体中BCl₃的含量(20%~60%), 提高ICP功率和直流偏压, 降低反应室压强有利于获得非选择性刻蚀. 而GaN/Al_0.28Ga_0.72N异质结刻蚀后的表面形貌与等离子体中的化学组分、反应室压强有密切的关系. 在Cl₂/Ar(4︰1)中加入20% BCl₃可以在较高的刻蚀速率条件下获得GaN和Al_0.28Ga_0.72N之间的非选择性刻蚀, 并将GaN/Al_0.28Ga_0.72N异质结刻蚀后的表面均方根粗糙度由10.622 nm降低至0.495 nm, 优于未刻蚀的GaN/Al_0.28Ga_0.72N异质结的表面. AES分析表明, 在刻蚀过程中从AlGaN的表面有效除去氧对获得非选择性刻蚀和光滑的刻蚀表面是至关重要的.     

表面催化特性对火星进入气固耦合热效应的影响研究

高超声速进入火星大气层过程特殊且复杂的高温真实气体效应及气固界面热化学作用给火星进入器耦合气动热环境的精准预测带来巨大挑战.针对火星进入气固耦合问题,建立非平衡气动热环境和结构热响应的耦合计算方法,开展进入器防热大底高超声速非平衡气动加热和结构传热的耦合计算分析,获得了典型弹道点上气固界面非平衡热化学作用对耦合加热的影响规律.耦合分析表明,壁温梯度所致的对流热流和组分扩散热流均对高超声速非平衡气动加热有较大影响;当前耦合计算状态下组分扩散热流占总热流的主要部分,尤其CO2部分影响最大;所计算的热防护系统能够有效阻止气动热向舱内传递,防隔热性能良好,表面热流与辐射散热可快速趋于局部热辐射平衡,可采用辐射平衡壁面条件解耦模拟气动热环境;完全非催化/完全催化壁面热流随耦合时间逐渐降低,但有限速率催化热流因界面非平衡热化学效应而先增后降;壁面热流与壁温的线性度因界面非平衡热化学所致扩散热流的引入而减弱.     

超重力熔铸梯度材料制备饲草料收获机械自磨锐切刀

采用Fe_3O_4/Al铝热体系,在超重力场中熔铸出硬度呈梯度分布的复合材料,而后制备出饲草料收获机械的自磨锐切刀并进行了现场试验.结果表明,Fe_3O_4/Al铝热剂体系的绝热温度为3148.2 K(Fe的沸点温度),约2 mol%的产物Fe以气相存在.体系内添加约15 mass%的高硬铁基合金颗粒(钒铁、铬铁、锰铁、钼铁等)稀释剂,可使Fe产物全部以高温(3148 K)低黏度液相存在,这对于超重力场中梯度材料成型十分有利.梯度材料的基体是具有择优取向的柱状晶组织,高硬铁基合金颗粒沿超重力方向呈线性排列且与基体冶金结合,由于密度及熔点不同,不同颗粒在复合材料内的分布状况有较大差异,这是材料硬度呈梯度变化的主要原因.新材料制备的饲草料收获机械切刀刃面硬度呈梯度分布,工作过程中会均匀磨损而形成自磨刃,始终保持锋利的切割性能.现场试验结果表明,该自磨锐切刀具有良好的使用效果.     

基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试

微纳尺度下的水合物力学特性对厘清外荷载下孔隙中水合物与沉积物骨架相互作用机制以及揭示含水合物沉积物宏观力学行为机理具有重要意义.本文使用改装的低温原子力显微镜和直径5μm的二氧化硅(SiO2)微球胶体探针对四氢呋喃(THF)水合物进行了测试.在温度-30℃～-10℃和探针驱动速率0.5～20.0μm/s条件下,获得了微球压入THF水合物样品的深度、接触时间与接触力之间的关系以及微球与THF水合物样品间的黏附力.结果显示:压入过程中THF水合物产生了塑性变形,压入诱发的水合物相变可能进一步增强了塑性行为.在相同接触力作用下压入速率越小或温度越高, THF水合物的硬度越小且塑性行为越明显. THF水合物的屈服应力存在阈值(或者临界效应),这可能是导致含水合物沉积物应变硬化和应变软化现象的重要原因之一.基于修改后的幂率流变(PLR)黏弹性模型,低驱动速率和相对高温条件下THF水合物的黏弹性更显著. THF水合物表面的似液层和分解液在样品与微球间形成的液桥是两者间产生黏附力的主要原因,在温度-30℃～-10℃范围内黏附力约1.1～2.5μN,它主要与脱离前两者间的接触面积有关.