一种酚醛树脂模型化合物热解反应的密度泛函理论研究及实验验证

邻-邻位亚甲基桥是酚醛树脂主体结构单元之间的主要链接方式之一。采用Gaussian 09中的密度泛函理论B3LYP/6-311G(d,p)方法,对邻-邻位亚甲基桥型模型化合物邻位双羟苯基甲烷(2BHM)的热解反应机理进行了量子化学理论研究。设计了5种热解反应途径,对每种反应途径的反应物、产物和过渡态的结构进行了能量梯度全优化,并对过渡态进行了IRC验证。计算了各反应途径的标准动力学参数,最后进行了相关实验验证。计算结果表明Path3为2BHM的最优热解路径,对应的产物为苯酚和邻甲酚,所有路径的终产物中均有苯酚,且CO_2要比CO更容易生成。热解实验结果显示热解产物中苯酚含量最高,而CO并未出现。这说明计算结果与实验结果基本一致,同时也表明应用量子化学计算理论研究酚醛树脂的热解机理是一种有效的研究方法。     

正癸烷预混燃烧的详细反应动力学数值模拟

提出了正癸烷预混燃烧的详细化学反应机理,并对正癸烷预混燃烧过程进行了数值计算.同时,详细分析了反应物、主要生成物及多种中间组分摩尔分数的变化趋势,并分别与采用正癸烷与航空煤油为燃料的燃烧火焰的实验结果进行了对比分析.结果表明,正癸烷与航空煤油预混燃烧火焰中反应物与生成物摩尔分数的变化趋势基本一致;通过数值计算所得到的主要反应物与生成物摩尔分数的变化趋势与两种燃料(正癸烷与航空煤油)燃烧火焰的实验值基本吻合,说明该详细反应机理能很好地反映正癸烷预混燃烧过程的详细动力学特性.同时,通过反应流分析发现,正癸烷的消耗主要通过热裂解反应以及H,OH自由基的提取反应来实现.      

过渡态工况下环形燃烧室热态三维数值模拟

利用商用软件对环形燃烧室从慢车到最大状态的过渡态过程进行了数值模拟,并通过与传统的工程计算方法(利用稳态计算来近似过渡态计算)得到的结果进行分析比较,研究了过渡态过程对燃烧室温度场的影响,结果表明:①过渡态计算与对应工况点的单点稳态计算存在一定的差别,主要表现在稳态计算的出口温度比过渡态计算的整体偏高;②时间步长是影响过渡态计算的关键因素,较小的时间步长能够使不同时刻流场参数之间的相互联系更加紧密,计算结果也就更接近于过渡态的真实过程;③过渡态计算中出口平均温度相对于油气比的变化在时间上具有一定的滞后性.      

航空发动机过渡态典型热端部件热响应分析

为满足航空发动机方案设计阶段结构分析及强度寿命评估的要求,必须提供相关零件稳态和过渡态热状态数据。应用1维解析方法和数值方法分别对薄壁类和轴对称缘盘类热端部件进行了过渡态热状态计算分析,得到带涂层叶片、盘及机匣平均温度随发动机状态的变化,并依此分别进行了各零件热响应分析;由热响应分析结果得到了高压涡轮转子和机匣过渡态热伸长量,并进行了过渡态的热间隙分析,为结构分析提供输入;计算结果与采用ANSYS软件计算的结果偏差普遍在3%以内,说明计算方法合理,可适用于方案设计阶段过渡态热端部件热状态计算。     

航空发动机燃烧室燃烧过程与排放物生成的反应动力学数值模拟

选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了正癸烷的化学反应详细机理与简化机理(包括50种组分,118个基元反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某型航空发动机环管形燃烧室中单个火焰筒内流动特性与燃烧过程、排放物及活性中间组分生成的反应动力学特性进行了详细分析,并与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理的计算结果进行了对比分析.结果表明:采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理计算得到的温度场分布更符合实际,其出口平均温度亦更为接近燃烧室出口设计温度;同时,能更为详细了解燃料低温裂解过程及裂解产物、中间产物及主要排放物的生成规律.      

4-苯氧基邻苯二甲腈的合成研究

以4-硝基邻苯二甲腈和苯酚为原料，DMSO为溶剂，在K2CO3存在下80％进行硝基亲核取代反应制得了4-苯氧基邻苯二甲腈化合物。反应过程中采取两步法合成，首先使苯酚和K2CO3反应生成酚盐，然后再与4-硝基邻苯二甲腈反应生成目标产物。该反应过程平稳，产物经重结晶提纯后，收率为97．7％，熔点为102—103℃。傅里叶红外光谱和核磁共振氢谱的测定结果证明了产物的分子结构。     

过渡态带隔热涂层的燃气涡轮叶片热状态计算方法研究

过渡态条件下热端部件热状态计算在评估发动机性能、强度寿命及内部间隙等方面占有十分重要的地位。参考了俄罗斯关于过渡态涂层叶片的1种计算方法,但对其中的数学处理作了更广泛的集成和推广,使得该方法能更充分地考虑过渡态变化过程的复杂性以及换热边界条件的适时变化等问题;以该方法编制了带涂层热端部件的工程计算程序,将计算结果与国外数据进行了对比,吻合较好。     

TiC／Ti3AlC2复合材料的原位合成

以Ti粉、铝粉和活性碳粉为反应原料,利用高能球磨及热压工艺合成了TiC/Ti3AlC2复合材料.研究了在Ti-Al-C体系中,温度对TiC/Ti3AlC2复合材料的影响,并重点分析了反应过程热力学机理及材料微结构的影响.结果表明:通过高能球磨及热压烧结,在1 300℃时得到了物相比较均匀、致密的TiC/Ti3AlC2复合材料.通过高能球磨使得晶粒不断得到细化,使Ti3AlC2的烧结温度降低,同时分析TiC/Ti3AlC2复合材料微观结构的增韧机理,发现TiC是以颗粒增韧方式镶嵌在Ti3AlC2基体中.     

Ti-Al-TiO2系的热压合成及反应过程研究

利用Ti-Al-TiO2系的放热反应,以原位合成和联合引入Al2O3颗粒的思路经热压合成了TiAl基复合材料。借助DTA研究了Ti-Al-TiO2系的反应过程,并采用XRD、SEM等检测手段表征了产物的相组成及微观结构。结果表明:Ti-Al-TiO2系的反应始于Al的熔化,首先发生了Ti和Al的化合反应最早生成了TiAl3;继而引发了Al和TiO2的还原反应,释放出大量热量;最后非稳定态TiAl3与Ti结合经竞争扩散反应,生成稳定态的TiAl和Ti3Al。产物由TiAl、Ti3Al和Al2O3三种物相组成,Al2O3颗粒分布于基体交界处,存在一定的团聚。Al2O3的引入,使得基体晶粒尺寸变小,但脆性相含量增多。     

苯并噁嗪/ BMI/ 环氧树脂的固化动力学

制备了苯并噁嗪树脂/BMI/环氧树脂三元体系,采用动态DSC分析了三元体系的固化反应过程。并用Kissinger和Ozawa方法分别求得三元体系的反应活化能为89.5 kJ/mol。由Crane理论计算得到该体系的固化反应级数n=0.93级反应;根据计算的动力学参数,建立了三元体系的固化动力学模型。利用所建立的固化动力学模型分别预测了等温和动态条件下,三元体系的固化反应特性。得到了三元体系的固化工艺为180℃/1 h+200℃/2 h+230℃/2 h,后处理工艺为250℃/2 h。     

金属/水反应冲压发动机内流场数值模拟

基于燃气发生器式金属/水反应冲压发动机的构成形式,建立了发动机补燃室内流场两相反应计算模型,并在该模型下对给定的贫氧推进剂配方,及某模型发动机进行了模拟,得出了不同水喷射雾化角、铝颗粒燃烧模型、铝颗粒初始直径下反应物和产物组分、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,水喷射雾化角大有利于水滴蒸发及其与燃气的掺混;两种不同的铝颗粒燃烧模型结果差别不大;铝颗粒初始直径的大小对发动机性能有显著影响。     

基于双时间步法的航空发动机过渡态仿真

对于航空发动机非线性大偏差过渡态过程的仿真,容积动力学法在实时性和鲁棒性方面具有优势。这一方法通过建立容腔部件的控制方程并进行简化,可以得到描述主燃烧室、外涵道和加力燃烧室等部件的常微分方程,并采用时间推进法求解发动机稳态工作点,采用显式欧拉法求解过渡态过程。本文进一步发展了该方法,对于过渡态过程,采用隐式求解以保证计算格式的收敛性,消除由二阶差分带来的非物理振荡,并引入双时间步法以简化隐式求解过程,使得仿真程序收敛迅速。仿真实验证明,该方法计算精度高,鲁棒性强,能够满足非线性大偏差条件下对于发动机实时仿真的要求。     

原位热压合成Cu掺杂Al2O3／TiAl复合材料

利用Ti-Al-TiO2一CuO体系的放热反应,原位热压合成了Cu掺杂的AJ2O3/TiAl复合材料.借助DSC和XRD研究了Ti-Al-TiO2-CuO体系的反应过程,并采用XRD、SEM研究了复合材料的物相组成及显微结构.结果表明:在Al的开始熔化的同时,Al和CuO的反应开始缓慢进行,并形成CuTix中间产物,放出大量的热,促使Al和TiO2的反应提前,进而使材料在较低温度下致密烧结.CuO掺杂量为6%(质量分数)时所得复合材料弯曲强度可达474 MPa,断裂韧度可达8.89 MPa·m1/2.     

基于动态边界的跨声速压气机过渡态三维模拟方法

针对航空涡轮发动机部件的过渡态,提出了一种基于压气机部件三维模型的过渡态性能计算方法,采用动态边界条件,以转速和出口静压为过渡过程的控制参数,二阶向后欧拉法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程组,通过三维非定常模拟获得压气机的过渡态性能和内部非定常流场特征。以NASA跨声速压气机Rotor 67转子为模型,采用该方法模拟了压气机从60%设计转速加速至100%设计转速的过渡过程,获得了压气机过渡态性能及转子内部详细的激波结构与演变过程。对比通用特性结果,在整个过渡曲线上,总压比相对误差最大值小于6%,绝热效率相对误差最大值小于2%,验证了该方法的可靠性。结论表明:基于动态边界的三维非定常模拟方法能够准确模拟压气机的过渡态性能,并反映出过渡态的非定常流场详细信息。     

基于动态优化数据的航空发动机过渡态控制方法

针对一般稳态燃油前馈PID算法在发动机过渡态过程中控制效果差的问题,提出了一种基于动态优化数据的涡轴发动机瞬态控制方法。采用带约束限制的序列二次规划（SQP）优化算法采集包线范围内各点的过渡态参数变化数据作为样本数据,利用稀疏化的最小二乘支持向量机（LSSVM）对样本数据进行训练、测试,将训练得到的LSSVM模型作为前馈与PI构成闭环控制器共同对涡轴发动机进行过渡态控制。通过对民用涡轴发动机部件级模型的包线内某两点不同功率水平进行仿真,结果表明,过渡态过程中动力涡轮转速超调量与下垂量均小于0.4%,稳态误差为0,动力涡轮转速稳定时间小于2s,各参数均未超限,因此,该控制器能有效提高涡轴发动机过渡态控制效果,实现对参数的限制管理。     

Zr-Cu-Ti合金晶态-非晶态相变分子动力学研究

利用分子动力学模拟方法对Zr-Cu-Ti合金系统进行了晶态-非晶态反应相变研究.通过构建以hcp Zr为基体、Cu和Ti为溶质的固溶体模型及多层膜模型,利用分子动力学模拟其晶态-非晶态反应过程.通过对模拟结果进行分析,得到了Zr基合金获得非晶态合金的临界固溶度,同时获得了Zr-Cu-Ti合金系统非晶化的相变机理及反应细...     

一种航空煤油数值模拟替代燃料的化学反应简化机理

通过对一种航空煤油数值模拟替代燃料(正癸烷)着火与燃烧的化学反应详细机理(包括67种组分,344个反应)进行反应流与敏感性分析,建立了该替代燃料的化学反应简化机理(包括50种组分,118个反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.结果表明:与实验数据相比,采用详细机理与简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与主要生成物的摩尔分数与炉壁距离的整体变化趋势吻合较好.正癸烷可以作为航空煤油的一种数值模拟替代燃料,同时,所建立的化学反应简化机理能很好的描述正癸烷着火与燃烧的动力学特性.      

碳基复合材料超高温热化学烧蚀过程的数值模拟

对超高温热化学烧蚀的计算方法进行了研究,对碳基复合材料在不同环境下热化学烧蚀过程进行了数值模拟,对烧蚀产物进行了计算.计算表明,碳基复合材料在烧蚀过程中依次出现氧化、升华过程.10atm下,氧化、升华过程交替温度为330K.压力升高,交替温度也依次升高.氧化产物为CO,而升华产物依次为C3、C1.在3300K以下,烧蚀主反应为2C O2→2CO.在3300K以上,烧蚀主反应为:2C O2→2CO,2C N2→2CN,i(C)→Ci(g)i=1,3.并用哈尔滨工业大学研制的"星形"等离子发生器及国产的等离子体火炬进行了碳基复合材料烧蚀实验.实验光谱检测结果与超高温热化学烧蚀计算的烧蚀产物一致,验证了超高温热化学烧蚀计算的正确性.     

燃气涡轮发动机加减速控制计划最优设计方法

提出了一种燃气涡轮发动机加减速控制计划最优设计方法.该方法在发动机过渡态性能模型的基础上,变换描述发动机过渡态性能非线性模型中的自变量,最终实现过渡态控制计划的优化设计.以某型双轴混排涡扇发动机的加速过程为例,使用该方法规划得到了满足其加速过程限制的最优控制计划.将得到的控制计划代入发动机过渡态性能模型中进行验证.整体相对优化误差在0.1‰量级,表明该方法具有设计精度高、使用简单等特点.      

可视化航空发动机性能仿真模型

介绍了一种图形化的发动机总体性能仿真模型.该模型可以通过模块化的图形方式,由用户选择发动机部件,自由灵活地组装任意合理结构形式的航空发动机,方便地进行航空发动机稳态与过渡态性能的计算.对该仿真模型的编程思想和编程方法做了具体介绍,并通过对具体发动机进行试计算证明通用模型计算逻辑的正确性以及可视化图形界面的实用性.