可控活化热氛围燃烧器非标协流特性的试验研究

湍流和燃烧都是非常复杂的过程, 两者间的非线性耦合更使问题的困难程度大大增加, 因此湍流燃烧是当今工程研究领域中最复杂的研究课题之一. 建立了一种用于研究湍流燃烧基础研究的新近发展起来的一种新型试验装置——可控活化热氛围燃烧器, 并研究分析了其非标协流的可控活化热氛围特性. 研究结果显示: 非标协流可以提供协流温度范围为700~1500 K、协流氧气摩尔百分比为0~21%的宽广的可控活化热氛围, 同时给喷射燃烧提供了一个所谓恒定热氛围理化条件的可观的几何空间——中心半径为40 mm的圆柱体范围, 使得对喷射火焰在可控活化热氛围协流特性下的燃烧特性研究具有重要的现实意义.     

异丁醇-空气层流燃烧速率的测定

在定容燃烧弹上, 利用纹影摄影法和球型发展火焰测量了不同燃空当量比, 初始压力和初始温度下异丁醇-空气预混火焰层流燃烧速率. 通过对异丁醇-空气拉伸层流火焰传播速率与拉伸率的关系的分析, 获得了无拉伸火焰层流燃烧速率和马克斯坦长度. 并结合火焰纹影照片分析了火焰传播的稳定性及其影响因素. 结果表明: 随着初始压力的增加, 层流燃烧速率减小; 随着初始温度的增加, 层流燃烧速率增加. 对于给定的初始温度和初始压力, 当量比为1.2处时层流燃烧速率最快. 异丁醇-空气混合气的马克斯坦长度随当量比的增加而减小; 在当量比一定时, 随初始温度和初始压力的增加而减小, 火焰不稳定性随当量比、初始温度和初始压力的增加而增加.     

激波管研究煤油/空气混合气的自着火特性

利用反射激波方法开展了煤油/空气混合气在温度为1445～1650 K,压力为0.1 MPa,当量比为1.0条件下的着火滞燃期研究.采用拉瓦尔喷管雾化装置雾化煤油形成气溶胶,入射激波促使煤油气溶胶快速蒸发和扩散,反射激波诱导煤油/空气混合气着火.利用ICCD冻结煤油/空气混合气着火流场,进行着火特性的可视化分析.初始温度...     

甲醇-空气-稀释气预混燃烧的数值分析

基于扩展甲醇氧化机理,数值分析了不同氮气稀释比下的甲醇-空气-稀释气的层流预混燃烧特性和火焰结构特性.获得了甲醇-空气-稀释气的层流燃烧速度、质量燃烧流量、绝热火焰温度、全局活化温度、泽多维奇数和有效路易斯数等燃烧特性参数以及层流预混火焰结构信息.研究表明,扩展甲醇氧化机理适用于计算稀燃和化学计量比附近甲醇-空气-稀释气层流预混火焰特性和燃烧化学反应过程.层流燃烧速度和质量燃烧流量随氮气稀释比的增加而减小,且在混合气较稀时受稀释气的影响更明显.混合气有效路易斯数随稀释比的增加而略有增加,火焰锋面热扩散不稳定性被抑制.热膨胀比随稀释比的增加而降低,火焰厚度随稀释比的增加而增加,稀释气的加入抑制了火焰锋面的流体力学不稳定性.稀释气添加导致的反应物浓度下降和火焰温度下降影响了甲醇燃烧火焰结构,降低了甲醛和NOx浓度.     

甲醇-空气-稀释气预混燃烧的数值分析

基于扩展甲醇氧化机理, 数值分析了不同氮气稀释比下的甲醇-空气-稀释气的层流预混燃烧特性和火焰结构特性. 获得了甲醇-空气-稀释气的层流燃烧速度、质量燃烧流量、绝热火焰温度、全局活化温度、泽多维奇数和有效路易斯数等燃烧特性参数以及层流预混火焰结构信息. 研究表明, 扩展甲醇氧化机理适用于计算稀燃和化学计量比附近甲醇-空气-稀释气层流预混火焰特性和燃烧化学反应过程. 层流燃烧速度和质量燃烧流量随氮气稀释比的增加而减小, 且在混合气较稀时受稀释气的影响更明显. 混合气有效路易斯数随稀释比的增加而略有增加, 火焰锋面热扩散不稳定性被抑制. 热膨胀比随稀释比的增加而降低, 火焰厚度随稀释比的增加而增加, 稀释气的加入抑制了火焰锋面的流体力学不稳定性. 稀释气添加导致的反应物浓度下降和火焰温度下降影响了甲醇燃烧火焰结构, 降低了甲醛和NO_x浓度.     

低硫柴油直喷燃烧超细颗粒排放特性研究

对比研究了燃用普通柴油和低硫柴油其排气超细颗粒数量浓度分布及化学成分特征. 结果表明, 相对于燃用普通柴油, 燃用低硫柴油其排气总颗粒质量浓度略有降低, 而数量浓度显著降低, 且降幅随负荷和转速增大. 燃用普通柴油和低硫柴油其排气微粒数浓度粒径分布曲线形状基本相似, 同一测试工况下, 相对于燃用普通柴油, 燃用低硫柴油其排气积聚模态微粒数量浓度变化较小, 而核模态微粒排放显著降低. 发动机排气微粒主要由C, O, Cl, S, Si, Ca, Na, Al, K元素组成, 燃用普通柴油和低硫柴油其排气微粒元素组成基本相似, 但燃用低硫柴油排气微粒中没有发现S元素. 排气微粒中挥发性有机物(SOF)主要成分有饱和烷烃(碳原子数为C15~C26)、有机酸酯和多环芳烃等. 燃用低硫柴油时微粒采样中未发现多环芳烃.     

航空煤油火蔓延特性分析

为了揭示航空煤油火蔓延过程中的火焰传播特性和油面温升规律, 在自行研制液体火蔓延实验台的基础上, 运用纹影摄像系统实时记录火蔓延的整个过程, 分析了表面流和闪火焰出现的成因, 探讨了不同燃油初温条件下表面流速度和火蔓延速度的变化规律. 结合微细热电偶和红外热像测试技术, 测量火焰前方未燃油面各点与中心线上的温度分布, 揭示了在火蔓延过程中油面的温升规律, 并发现燃油初温的升高使得表面流预热作用减弱.     

受损伴流湍流氢气射流火焰的直接数值模拟

采用直接数值模拟DNS的方法对受损伴流湍流氢气射流火焰进行了数值模拟, 采用16步的氢气燃烧详细化学反应机理, 冷的高速H₂/N₂燃料射流喷入热的低速伴随流, 伴随流由贫燃氢气预混火焰燃烧产生, 温度1045 K, 氧量较低. 化学反应源项由主程序在每一时间步长内动态调用CHEMKIN库函数获得. 计算采用消息传递MPI的并行计算方法, 采用12颗CPU在并行计算机上完成. 作为与实验对比的Faver平均结果由DNS瞬态结果做长时间的统计平均后获得. 火焰中涡结构的卷起以及发展过程均能很好地被捕捉, 可以观察到同旋向涡结构之间的相互吸引和反旋向涡结构之间的相互排斥过程, 伴随射流两侧涡结构彼此复杂的吸引、合并、挤压和撕裂过程, 湍流拟序结构由最初的轴对称模式开始向非对称模式演化. 流场中5.67 ms时刻瞬态的H, OH和H₂O分布, 表征了燃料射流自点燃过程中的详细火焰结构. 计算中获取的火焰抬升高度为9d ~ 11d, 与实验结果相吻合. 计算发现由OH和H粒子表征的火焰锋面中, 在火焰锋面转角位置, 燃烧过程得到强化, 可能与火焰面的拉伸以及较长的停留时间有关. 从湍流强度的分布曲线来看, 火焰的传播应该是从两侧向中心发展的. 这里的DNS结果可以作为今后发展更准确通用湍流燃烧模型的参考.     

水雾协流作用下甲烷层流预混火焰熄火规律

在自行研制的水雾协流管式燃烧器的基础上, 利用高速纹影实验系统对水雾协流作用下层流预混火焰燃烧速度、火焰拉伸以及熄火规律进行了实验研究, 分析其现象产生过程与机理, 得到了不同浓度甲烷预混火焰临界熄火时火焰拉伸率与燃烧速度的变化规律. 结果表明, 管式燃烧器预混火焰面拉伸与燃料浓度、混合气体流量以及水雾雾滴直径有关; 对于较大粒径的细水雾, 水雾载荷比越小, 火焰面拉伸现象越明显; Le > 1的富燃料预混火焰, 当水雾载荷比较小时, 燃烧速度越大的预混火焰更容易发生回火; 而Le < 1的贫燃料预混火焰, 在相同水雾条件下, 预混气体浓度越小, 火焰就越容易产生熄脱.     

细水雾与K类火的相互作用

利用激光多普勒分析仪测量了不同压力下细水雾的粒径和速度, 利用ISO9705全尺寸热释放速率测试仪研究了细水雾与K类火的相互作用. 实验中测量了火焰熄灭时刻食用油内部温度T_fo, 同时利用能量平衡方程计算了火焰熄灭时T_fo的理论值, 发现计算值很好地验证了测量结果. 通过计算火羽流和细水雾的动量, 确定了细水雾熄灭K类火的临界雾滴速度v_wy. 研究表明, 细水雾具有较好的降温作用, 可快速扑救K类火, 抑制复燃, 为细水雾用于K类火灾防治提供了科学的参考依据.     

氢气-空气-稀释气混合气层流燃烧速度的测定和火焰稳定性分析

利用球型发展火焰研究了常温常压下不同燃空当量比(0.4~4.5)、稀释气(N₂, CO₂和15%CO₂+85%N₂)和稀释度(0, 0.05, 0.10和0.15)时氢气-空气-稀释气混合气的预混层流燃烧速度和马克斯坦长度, 分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响. 研究结果表明: 氢气-空气-稀释气混合气的层流燃烧速度和马克斯坦长度均随稀释度的增大而减小, 火焰稳定性下降, 胞状火焰前锋面出现的半径位置提前. 在同一稀释度下, 层流燃烧速度在当量比为1.8处达到最大值, 马克斯坦长度随当量比的增加而增大. CO₂作为稀释气对层流燃烧速度和马克斯坦长度的影响大于N₂作为稀释气对层流燃烧速度和马克斯坦长度的影响.     

Poiseuille-Rayleigh-Benard流动中局部行波的周期性

通过采用二维流体力学基本方程组对Poiseuille-Rayleigh-Benard流动中局部行波的周期性进行研究,发现局部行波的稳定周期是受水平来流雷诺数和相对瑞利数影响的.取普朗特数Pr=6.99,相对瑞利数r=5,水平来流雷诺数Re=6时,发现了局部行波具有稳定周期性.对Pr=6.99的局部行波的稳定周期进行研究,结果表明:局部行波的稳定周期随水平来流雷诺数增大而减小,随相对瑞利数的增大而减小;相对瑞利数r越小,局部行波的稳定周期随水平来流雷诺数的增长率越大.对Pr=0.72,0.0272两种流体的局部行波的稳定周期进行分析,取相对瑞利数r=8时,与普朗特数Pr=6.99局部行波的稳定周期随水平来流雷诺数变化不同;对于普朗特数Pr=0.72,0.0272,局部行波的稳定周期随水平来流雷诺数增大而增大,Pr=0.72的增长率比Pr=0.0272大.     

磷酸铁锂电池恒流模式电化学阻抗特性实验

电池的欧姆阻抗(R_s)、电荷传递阻抗(R_(ct))和离子扩散阻抗(Z_w)等信息是判断储能电池功能状态的有效方法之一,这些信息可以通过恒流模式电化学阻抗谱(GEIS)来实现,因为GEIS更接近电池真实状态.本文采用恒流模式电化学阻抗(GEIS)方法研究了1700 mA h磷酸铁锂(LiFePO_4)电池在不同温度下扰动信号正弦电流幅值的变化,以及在不同荷电状态(SOC)和不同温度下电池阻抗特性变化规律.实验结果表明,正弦电流最佳幅值随着温度升高而增大,而SOC与温度对电池的性能都有影响.相同温度下,Rs随着SOC增加稍有增加;Zw随着SOC增大而减小;Rct在0~40%SOC和60%~100%SOC区间内明显减少,在40%~60%SOC区间内呈增大趋势.在0~50℃下,R_s,R_(ct)和Z_w均随着温度升高而降低.电池阻抗特性受温度的影响比SOC影响更加显著.因此,电池在不同SOC和温度下阻抗特性能有效地反映电池内部极化状态,从而可预测储能电池的功能状态.     

利用双流体模型研究柴油高压喷嘴内部的空化流动

利用双流体模型对一单孔柴油喷嘴内部复杂的空化流动进行数值模拟, 并分别考察进口压力恒定和进口压力瞬变这两种不同的边界条件所对应的空化过程及流动特征. 模型预测的结果与文献中已有的实验结果吻合较好. 通过数值分析发现, 超空化的出现引起了流场结构及出流条件的显著改变, 超空流状态下的液相湍动能分布特征和喷孔出口速度类型有利于柴油射流的一次雾化过程. 此外, 喷孔上游的压力波动对空化过程有着重大的影响, 无论是部分空化还是超空化都会随着上游压力的急剧升高或降低而表现出不稳定的特性.     

铁电体热释电循环的能量转换机理

环境中的废热可以被铁电体在变温和变电场的热释电循环中转换为电能.然而,铁电体的极化强度随外界条件的变化一直是待解的难题.本文根据电场作用下铁电体中偶极子在三维空间转动的唯象理论,引入偶极子的耦合效应解决了极化强度在一定初始条件下随温度和电场的变化规律,推导出了奥尔森热释电循环中温度和电场对极化强度和热释电转换效率的影响规律.通过数值模拟得到如下结论:热释电循环的等高温线与电滞回线的上曲线重合;等低温线在电滞回线的中线与上线之间,由所加最大电场决定;热释电循环时,低温端的温度越接近居里点,以及高温端的温度略高于居里点,会有较高且较为稳定的热释电转换效率.上述结论与实验结果基本相符.     

非故意掺杂与半绝缘GaN缓冲层上的AlGaN/GaN异质结构的高温电子输运特性

研究了非故意掺杂(UID)与半绝缘(SI)GaN缓冲层(BL)上的Al0.35Ga0.65N/GaN异质结构高温下的电子输运特性,应用Hall效应系统地测量了样品在高温下的电子面密度和电子迁移率随温度变化的关系.实验发现,高温下AlGaN/GaN异质结构的电子迁移率主要受到LO声子散射的作用,其中,UID-BL样品的电子面密度随温度升高而逐渐上升,SI-BL样品的电子面密度则随温度升高呈现先下降再平衡后上升的规律.对相应的未生长AlGaN势垒层的本征GaN薄膜的高温电阻特性分析表明,随着温度的升高,UID-BL样品的电子迁移率受到背景载流子的影响逐渐增大;SI-BL样品的电子迁移率在室温附近受附加位错散射的影响较大,600K以后受背景载流子的影响缓慢增强,这对于研究AlGaN/GaN异质结构器件的高温特性具有很好的参考意义.另外,由理论计算可知,高温下二维电子气(2DEG)逐渐向势垒层和缓冲层内部扩展,电子在第一子带的占据从室温下的86%下降到700K时的81%.     

30K温区百瓦级二级斯特林制冷机

30 K温区大冷量回热式低温制冷机在超导冷却、气体液化等领域具有广阔的应用前景.相较于其他类型的低温制冷机,斯特林制冷机具有结构紧凑、降温速率快、效率高等优势.基于理论分析和数值计算结果研制了一台大冷量二级斯特林制冷机,并对其开展了初步的实验研究.对不同工况下制冷机的压力波特性以及室温端换热器的换热特性进行研究,发现提高充气压力,压缩腔的压力振幅会提高,室温端换热器的换热量提高.提高第二级制冷温度,压缩腔的压力振幅与室温端换热器的换热量减小,且其减小速率均随制冷机第一级热负荷的增加而提高.制冷机无负荷工作时,每提高0.1 MPa充气压力,制冷机第二级制冷温度降至30 K的平均降温速率提高0.72 K/min.在2.6 MPa充气压力时,制冷机第二级可在13.24 min内降至30 K,最终无负荷制冷温度为19.83 K,此时第一级制冷温度为71.2 K.在第一级无热负荷时,该制冷机在30 K时可提供110 W制冷量,相对卡诺效率为10.96%,这是目前国内该类型低温制冷机公开报道的最高性能.     

二乙醚-空气预混火焰的不稳定性分析

利用高速纹影摄像法和球形发展火焰研究了不同初始压力和不同当量比下的二乙醚-空气预混合气层流火焰燃烧特性, 得到了层流燃烧速率、马克斯坦数、胞状结构出现的临界半径等燃烧参数, 分析了火焰前锋面的不稳定性. 研究结果表明: 无拉伸层流燃烧速率随初始压力增加而减小, 随当量比的增加而呈现出先增加后减少的趋势, 无拉伸层流燃烧速率的最大值出现在当量比为1.1处. 马克斯坦数随初始压力和当量比的增加而减小, 反映出初始压力和当量比降低了火焰前锋面的稳定性. 胞状结构出现的临界半径随初始压力的增加而减小.     

白令海海盆区夏季水团分布及其年际变化

利用1999,2003,2008,2010,2012和2014年夏季中国6次北极科学考察在白令海海盆区获取的重复断面水文数据,对白令海海盆区水团分类及时空变化特征进行了分析.结果表明,白令海海盆水体主要由高温低盐的白令海海盆上层水、低温的白令海海盆中层水和高盐的白令海海盆深层水组成.其中,白令海海盆上层水主要位于40 m以浅,经向上自南向北厚度逐渐减小,垂向上与中层水之间存在显著的温跃层,跃层强度年际变化显著;白令海海盆中层水主要位于500 m以浅,受白令海陆坡流的影响,在北部陆坡流区有加深加厚的趋势;海盆中层冷水与陆架冷水团同步变化,根据冷水温度和范围差异,可分为冷年和暖年两种状态,且近十几年大致以6 a为周期交替变化.2014年冷水温度最高且范围急剧减小,是否是新一轮暖年的开始还需进一步论证;白令海海盆深层水位于中层水以下,是海盆区体积最大且最稳定的水体,约占总水体体积的80%以上,深层水的温盐范围年际变化较小,维持在较为稳定的状态.北部陆坡流的影响深度可至1000 m.     

落管中Cu-Sb合金的深过冷与快速枝晶生长

采用落管方法实现了Cu-20%Sb亚共晶合金在无容器条件下的快速凝固。随着液滴直径的减小，过冷度逐渐增大，初生Cu枝晶发生组织细化。实验中获得了207K的过冷度，最大过冷度达到0．17TL.理论分析表明，由于这合金具有较宽的凝固温度间隔，初生Cu枝晶的快速生长始终受溶质 扩散控制，根据对Cu-Sb合金相图中T0线的计算，揭示出发生偏析凝固的临界过冷度为△T0=474K。在最大过冷度207K时，初生Cu相的生长速度达到37mm/s，发生了显著的溶质截留效应.