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直接氨SOFC-GT混合动力系统性能及航空应用

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航空动力学报 2024年第4期39卷 165-179页

作者：徐乐根毛军逵梁凤丽王在兴杨孟林南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016

建立了基于直接氨燃料的固体氧化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合动力系统仿真模型,开发了一种架构优化的高功率-质量比的高效发电系统,并研究了燃料利用率和系统燃料分配对系统功率分配、各子部件质量以及其㶲损失等性能的影响。基于... 详细信息

建立了基于直接氨燃料的固体氧化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合动力系统仿真模型,开发了一种架构优化的高功率-质量比的高效发电系统,并研究了燃料利用率和系统燃料分配对系统功率分配、各子部件质量以及其㶲损失等性能的影响。基于所建立的模型分析了压气机压比、燃料摩尔流量、空气摩尔流量等输入参数对系统性能的影响,在最优性能条件下对系统进行功率-质量比分析。仿真结果表明该系统的净发电效率为56.85%,㶲效率为50.71%,净发电量为213 kW,功率-质量比为0.7303 kW/kg,达到美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)为SOFC-GT混合动力系统应用于航空航天领域制定的标准。在此基础上,讨论了该系统在商用飞机主动力和辅助动力上的应用,表明SOFC-GT混合动力系统在航空领域具有良好的应用前景。

关键词：氨燃料电池固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统系统效率功率-质量比航空动力

基于膨胀波效应的高超声速进气道肩部流动分离控制研究

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推进技术 2024年第1期45卷 63-75页

作者：刘甫州袁化成李东周珂玉南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016

为改善高超声速进气道唇口激波/附面层干扰诱导的肩部流动分离,从膨胀波及激波理论出发,推导出了膨胀波效应影响下的斜激波附面层干扰理论公式,获得了影响斜激波诱导分离的主要因素:膨胀角梯度、激波角及波前马赫数。在此基础上,开展了... 详细信息

为改善高超声速进气道唇口激波/附面层干扰诱导的肩部流动分离,从膨胀波及激波理论出发,推导出了膨胀波效应影响下的斜激波附面层干扰理论公式,获得了影响斜激波诱导分离的主要因素:膨胀角梯度、激波角及波前马赫数。在此基础上,开展了膨胀波效应影响下的流动分离控制研究,给出了膨胀波效应影响下斜激波诱导分离的判别及预测方法。结果表明:增大激波入射点处膨胀角梯度,可以显著减小甚至消除肩部流动分离;随着激波角增大,激波强度及逆压力梯度增加,分离区尺寸显著增大。而波前马赫数对分离区尺寸的影响不显著;在进口马赫数3.57~5.18,唇罩角度6°~10°范围内,当激波入射点处逆压比梯度小于250 m^(-1)时,斜激波诱导的流动分离消失,可为改善超声速/高超声速进气道内流道流动分离提供技术支撑。

关键词：高超声速进气道激波附面层干扰膨胀波流动分离流动控制

低红外特征涡扇发动机加速控制及影响规律研究

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推进技术 2024年第1期45卷 227-235页

作者：王一凡陈浩颖张海波南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016

为探究红外抑制措施对发动机加速性能的影响,提出并制定了针对发动机排气系统外涵引气冷却的普适性加速控制计划,开展了低红外特征涡扇发动机加速控制及其影响规律研究。首先,建立了带外涵道引气冷却中心锥、全遮挡导流支板和尾喷管扩... 详细信息

为探究红外抑制措施对发动机加速性能的影响,提出并制定了针对发动机排气系统外涵引气冷却的普适性加速控制计划,开展了低红外特征涡扇发动机加速控制及其影响规律研究。首先,建立了带外涵道引气冷却中心锥、全遮挡导流支板和尾喷管扩张壁面的发动机部件级模型,并在此基础上发展了排气系统正后向红外辐射特征计算模型;其次采用可行序列二次规划算法,针对采用了不同排气系统红外抑制措施的涡扇发动机分别制定加速控制计划;最后通过硬件在回路仿真验证上述加速控制计划对带红外抑制措施的发动机从慢车到中间状态加速过程的有效性。结果表明,与常规涡扇发动机相比,采用了高温壁面冷却虽然能降低发动机近50%的红外辐射特征,提高战机的隐身性能,但会导致发动机推力降低近6%,油耗上升4%以上,加速时间延长20%左右。

关键词：涡扇发动机排气系统红外辐射加速控制计划序列二次规划

大气影响下激光无线能量传输接收端多场耦合特性

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光学学报 2024年第12期44卷 145-155页

作者：侯一超孟宪龙张璞郑澳洲刘存良西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072 陕西省航空动力系统热科学重点实验室陕西西安710072

通过比尔定律和功率谱反演法计算得到激光束在大气传播过程中所产生的大气衰减和大气湍流的影响,进而获得激光到达接收端时的光场分布,同时基于非线性回归和实验研究获得光伏电池模型的基本参数,构建中远距离下的激光无线能量传输系统... 详细信息

通过比尔定律和功率谱反演法计算得到激光束在大气传播过程中所产生的大气衰减和大气湍流的影响,进而获得激光到达接收端时的光场分布,同时基于非线性回归和实验研究获得光伏电池模型的基本参数,构建中远距离下的激光无线能量传输系统接收端多物理场模型,并通过仿真分析在经历不同湍流强度大气传输之后接收端的光-电-热多场耦合特性。结果表明,大气对激光传输造成严重的影响,使得接收端前的光场分布发生严重畸变,进而使得激光无线能量传输接收端光伏电池的输出功率以及光电转换效率呈现下降趋势,大气湍流折射率结构常数由C_(n)^(2)=2×10^(-15)m^(-2/3)增大至C_(n)^(2)=2×10^(-13)m^(-2/3)时,接收端的最大功率下降了0.054 W,光电转换效率下降了1.51%。同时,不同波长的激光束、传输距离、大气湍流强度等是制约激光无线能量传输系统效率的重要因素,激光无线能量传输系统接收端的光-电-热多场耦合特性分析,对于激光无线能量传输系统的设计和改进具有重要意义。

关键词：大气光学激光无线能量传输大气湍流多场耦合 I-V特性

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压电驱动液阻全桥先导的导叶机构控制阀研究

推进技术 2024年

作者：张宏程王彬陈诗思凌马腾飞南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室

针对高速开关阀驱动的导叶机构控制阀响应慢、精度低的问题，设计了一种压电驱动液阻全桥先导的导叶机构控制阀。通过建立导叶机构控制阀数学模型，结合仿真软件对导叶机构控制阀的流量特性、启闭时间进行仿真研究。同时，分析脉冲宽度... 详细信息

针对高速开关阀驱动的导叶机构控制阀响应慢、精度低的问题，设计了一种压电驱动液阻全桥先导的导叶机构控制阀。通过建立导叶机构控制阀数学模型，结合仿真软件对导叶机构控制阀的流量特性、启闭时间进行仿真研究。同时，分析脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）载波频率以及占空比与控制阀输出流量间的关系，并与高速开关阀驱动的导叶机构控制阀进行对比。结果表明，基于压电驱动液阻全桥先导的导叶机构控制阀开启、关闭响应时间分别缩短约3ms和7 ms。200Hz的PWM载波频率下，输出流量-占空比线性区增大约10%。压电驱动的控制阀对导叶机构的控制精度提高，其中作动筒位移误差的均方根误差(Root Mean Square Error， RMSE)约为0.35mm，减小约23%。

关键词：航空发动机压电驱动可变液阻导叶机构流量特性响应时间

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横流中脉冲射流冲击流动换热特性数值研究

航空动力学报 2024年

作者：王国旺孙文静张靖周谭晓茗南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室

针对横流中单股圆射流冲击模型开展数值研究，在特定的射流雷诺数(Rej=1×104)和不同的横流-射流速度比（M=0.1～0.4）和脉冲频率（f=20Hz～200Hz）下，阐释了脉冲激励对射流冲击对流换热特性的影响。研究结果表明，横流中脉冲射流冲击... 详细信息

针对横流中单股圆射流冲击模型开展数值研究，在特定的射流雷诺数(Rej=1×104)和不同的横流-射流速度比（M=0.1～0.4）和脉冲频率（f=20Hz～200Hz）下，阐释了脉冲激励对射流冲击对流换热特性的影响。研究结果表明，横流中脉冲射流冲击体现出以围巾涡为主体的瞬时涡结构；与稳定射流相比，脉冲射流沿流向偏转程度有显著的减弱，在大的横流-射流速度比下并未形成以肾形涡结构为主导的流动结构，显著提高了冲击靶面的对流换热；脉冲射流与横流的相干过程具有高度的复杂性，导致冲击靶面对流换热与脉冲频率、横流-射流速度比之间存在着复杂的变化关系，在本文的研究参数中，f=100Hz是一个相对较优的脉冲频率。

关键词：射流冲击脉冲射流横流对流换热涡结构

基于模型参考自适应补偿的涡桨发动机PI解耦控制方法

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航空动力学报 2024年

作者：李善成汪勇钟文城张海波南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室

针对常规的涡桨发动机PI解耦控制方法在全包线内鲁棒性不足的问题，提出了一种基于模型参考自适应补偿的PI解耦控制方法。首先，基于涡桨发动机转子动力学及阶次特性，提出了一种涡桨发动机传递函数矩阵获取方法。并以此为基础，结合零... 详细信息

针对常规的涡桨发动机PI解耦控制方法在全包线内鲁棒性不足的问题，提出了一种基于模型参考自适应补偿的PI解耦控制方法。首先，基于涡桨发动机转子动力学及阶次特性，提出了一种涡桨发动机传递函数矩阵获取方法。并以此为基础，结合零极点相消法，分别设计了解耦环节与双回路PI控制器。其次，通过建立闭环系统的期望状态空间方程，设计模型参考自适应补偿以有效提升控制器的鲁棒性能。此外，为了进一步改善控制方法的动态跟踪性能，采用基于自适应速率协方差调节的快速自适应律。最后，基于涡桨发动机非线性仿真模型开展了控制方法仿真验证。结果表明：在不同的飞行包线点，相比于常规PI解耦控制器，采用基于模型参考自适应补偿的PI解耦控制方法可使燃气涡轮转速的最大调节时间缩短15%左右，超调量减少90%以上，动力涡轮转速的最大超调或下垂量减小60%以上，具有更高品质的动态控制效果、更优越的鲁棒性能与抗扰能力。

关键词：涡桨发动机 PI控制解耦控制模型参考自适应控制多变量控制

基于三维空间矢量应力场强法的SiCp/Al复合材料缺口疲劳强度预测

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航空动力学报 2024年第4期39卷 111-119页

作者：徐颖杨涛王学民崔海涛黄申南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016 中国航发四川燃气涡轮研究院成都610500

为了考虑应力梯度对SiCp/Al复合材料结构疲劳强度的影响,基于三维空间矢量应力场强法和光滑件疲劳强度,发展了一种SiCp/Al复合材料缺口疲劳强度预测方法,其中三维空间矢量应力场强法计算中分别应用了经典一维应力场强与有效距离点应力... 详细信息

为了考虑应力梯度对SiCp/Al复合材料结构疲劳强度的影响,基于三维空间矢量应力场强法和光滑件疲劳强度,发展了一种SiCp/Al复合材料缺口疲劳强度预测方法,其中三维空间矢量应力场强法计算中分别应用了经典一维应力场强与有效距离点应力场强的等效应力积分形式,避免了构建三维权函数和人为确定疲劳损伤区域。采用升降法制定了SiCp/2009Al复合材料光滑件疲劳试验方案,获得了SiCp/2009Al复合材料10^(7)循环周次对应的轴向(R=-1)疲劳强度为180.91 MPa,并以散点法开展疲劳试验获得了SiCp/2009Al疲劳寿命分布,光滑件疲劳试验结果显示SiCp/2009Al复合材料应力-寿命关系存在明显的平台区。采用逐级加载法开展了SiCp/2009Al复合材料缺口件轴向(R=-1)疲劳试验,获得了缺口件的疲劳强度为82.2 MPa。缺口件疲劳强度预测结果与试验结果吻合较好,最大误差在10%以内,其中基于有效距离点应力场强的三维空间矢量应力场强法建立的SiCp/Al复合材料缺口疲劳强度预测方法预测精度更高。

关键词： SiCp/Al复合材料疲劳强度缺口疲劳三维应力场强高周疲劳试验

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涡轮叶片多排气膜叠加特性及机理分析

推进技术 2024年

作者：张帆刘存良曹飞飞周天亮李继宸西北工业大学动力与能源学院陕西省航空动力系统热科学重点实验室

实际涡轮叶片的气膜孔由于强度要求，需要保证有限的开孔率。为探究在涡轮叶片上相同开孔率条件下，不同气膜孔排布方式下的气膜冷却效率及叠加特性，研究了单排、三排、五排圆柱孔和扇形孔在不同吹风比下的气膜冷却效率分布及气膜叠加... 详细信息

实际涡轮叶片的气膜孔由于强度要求，需要保证有限的开孔率。为探究在涡轮叶片上相同开孔率条件下，不同气膜孔排布方式下的气膜冷却效率及叠加特性，研究了单排、三排、五排圆柱孔和扇形孔在不同吹风比下的气膜冷却效率分布及气膜叠加与掺混机理。研究发现：孔形是影响气膜叠加预测准确性的重要几何因素，扇形孔叠加预测的准确性明显高于圆柱孔。肾形涡的强度是两者差异的主要原因。吹风比和孔排数也会显著影响到叠加预测模型的准确性。吹风比的增大会引起预测误差逐渐增大。吹风比决定了冷却射流的动量并影响了气膜掺混强度，这就造成了叠加预测误差随孔排数的增多逐渐增大这一现象。气膜射流吹飞会造成叠加预测误差显著增大。

关键词：开孔率气膜孔布局气膜叠加涡轮叶片气膜冷却效率扇形孔