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电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断
气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键,常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境,电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段.本研究应用激光吸收光谱技术,选用原子O(777.19nm)谱线, 基于局部热化学平衡等离子体假设,对电弧加热器内高温离解空气(&5000K)试验气流进行在线诊断.试验测得了总焓H0=15.8,17.4MJ/kg 2组工况下,电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度.2组工况获得平均气流温度分别为K,对应高温平衡气流表获得气流温度为K.测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在(1.1~1.2)×1018cm-3之间,低能级5S02粒子数密度在(1.0~1.6)×1010cm-3之间,2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致,验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性.本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段.
Abstract：
Gas temperature and species number density are the key parameters to quantitatively assess the arc-heated wind tunnel operation and flow quality.Conventional techniques meet great challenge in high enthalpy flow diagnostics for arc-heated facilities under prolonged operation at high temperatures.Based on the local thermodynamic equilibrium plasma assumption, this paper presents in-situ diagnostics for the dissociated air (&5000K) in the arc heater by using laser absorption spectroscopy of atomic oxygen at the wavelength of 777.19nm.The gas temperature and the number density of atomic oxygen are measured under two operation conditions of H0=15.8MJ/kg and 17.4MJ/kg, respectively.The average temperatures are 5843K and 6047K, corresponding to 5950K and 6335K from charts for high temperature equilibrium flow properties of air.The number density of atomic oxygen is within (1.1~1.2)×1018cm-3 and is in consistency with the calculation via NASA-CEA program,while the number density of atomic oxygen (5S02) is within (1.0~1.5)×1010cm-3.This work demonstrates that the laser absorption spectroscopy is applicable for high enthalpy flow diagnostics in the arc-heated wind tunnel as a new technique.
Chen Lianzhong
Ou Dongbin
Dong Yonghui
作者单位：
中国航天空气动力技术研究院 电弧等离子应用装备北京市重点实验室,北京,100074
中国航天空气动力技术研究院 电弧等离子应用装备北京市重点实验室, 北京 100074;中国科学院力学研究所, 北京 100090
ISTICEIPKU
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万方数据电子出版社柴油发动机预热器的数值模拟--《浙江工业大学》2016年硕士论文
柴油发动机预热器的数值模拟
【摘要】：电热式预热器是柴油发动机的一种进气预热装置,它可以有效地解决柴油发动机的冷启动难问题。由于其具有结构简单、使用方便、不会污染空气等优点,被广泛地应用在轿车和卡车等以柴油发动机为动力的交通工具中。电热式预热器的预热性能受到加热片材料、绝缘材料、蓄电池电压、预热器结构和预热腔结构等影响,研究其温度场分布规律,对预热器和预热腔的设计和生产具有重要的指导意义。本文以加热片长度740.8mm、厚度0.80mm、高度8.0mm的电热式预热器为研究对象,以解决柴油机在严寒环境-40℃,加热时间20s下快速启动为研究目标,首先利用ANSYS-Workbench软件对预热器自身进行了温度场瞬态模拟分析,研究了环境温度、加热片尺寸、蓄电池电压等对预热器和绝缘衬套最高温度的影响,并对实例预热器加热片的最高温度进行了实验验证。接着又研究了加热片尺寸、蓄电池电压和腔径等对预热腔空气平均温度的影响。最后对体积为3L的预热腔温度场进行正交模拟分析,研究得出了最佳设计参数和各参数的影响次序。以下结论可以得出:(1)在环境温度0℃时,实例预热器模拟最高温度为805.53℃,实验最高温度为856.30℃,模拟最高温度比实验最高温度低5.9%。(2)模拟结果表明,当加热片厚度从0.55mm增加到0.80mm时,预热器的最高温度从825.30℃缓慢下降到770.88℃,绝缘衬套最高温度从14.58℃缓慢上升到30.26℃。而预热腔的空气平均温度从38.88℃缓慢下降到35.67℃。(3)模拟结果表明,当加热片长度从536.8 mm增加到943.7 mm时,预热器的最高温度从1305.80℃急剧下降到531.64℃,绝缘衬套的最高温度从88.75℃缓慢下降到6.35℃。(4)模拟结果表明,当加热片长度从557.93mm增加到989.57mm时,预热腔空气平均温度从37.96℃下降到-14.15℃。(5)模拟结果表明,蓄电池电压由20.6V变换到27.4V,预热器的最高温度566.14℃升高到992.85℃,绝缘衬套的最高温度由12.46℃升高到50.18℃,预热腔的空气平均温度从21.88℃缓慢上升到42.90℃。(6)模拟结果表明,加热片离预热腔底部的放置距离由20mm增加到231mm,预热腔空气平均温度从39.69℃缓慢上升到40.78℃,当加热片离预热腔底部的放置距离为864mm时,预热腔空气平均温度又急剧下降到-4.62℃。(7)模拟结果表明,当预热腔直径从Φ65.0mm增加至Φ92.0mm时,预热腔内的空气平均温度从36.22℃增加到123.92℃,当腔径为112.8mm时,腔内空气平均温度又下降到97.54℃。(8)正交模拟结果表明,影响预热腔空气平均温度的主次顺序分别是加热片长度、蓄电池电压、加热片离预热腔底部的放置距离、加热片厚度。体积为3L预热腔的空气平均温度的最佳设计参数是加热片长度557.93mm,加热片厚度0.60mm,电压25.7V,加热片离预热腔底部的放置距离653mm。此时,预热腔的空气平均温度为34.07℃。
【关键词】：
【学位授予单位】：浙江工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2016【分类号】：TK423【目录】：
摘要3-5Abstract5-10第一章 绪论10-18 1.1 引言10-12 1.2 柴油机预热器概述12-13 1.3 预热器的国内外研究现状13-15 1.4 有限元法在预热器热分析中的应用15-16
1.4.1 有限元的发展15
1.4.2 ANSYS软件的介绍15-16
1.4.3 有限元热分析的应用16 1.5 课题研究的意义与内容16-18
1.5.1 课题研究的意义16-17
1.5.2 课题研究的内容17-18第二章 预热器自身温度场的仿真分析18-42 2.1 引言18 2.2 热分析基础理论18-22
2.2.1 热传递方式19-20
2.2.2 稳态传热20-21
2.2.3 瞬态传热21
2.2.4 导热微分方程及定解条件21-22 2.3 预热器热分析的模拟部分22-27
2.3.1 预热器的建模与工作要求22-23
2.3.2 预热器加热功率23-25
2.3.3 材料属性25
2.3.4 仿真分析的网格划分25-26
2.3.4.1 单元类型的选择25-26
2.3.4.2 网格划分26
2.3.5 边界条件26-27
2.3.6 模拟参数27 2.4 实验部分27-29 2.5 结果与讨论29-41
2.5.1 预热器温度模拟结果讨论与实验验证29-30
2.5.2 环境温度对预热器和绝缘衬套最高温度的影响30-32
2.5.3 加热片厚度对预热器和绝缘衬套最高温度的影响32-35
2.5.4 加热片长度对预热器和绝缘衬套最高温度的影响35-38
2.5.5 蓄电池电压对预热器和绝缘衬套最高温度的影响38-41 2.6 本章小结41-42第三章 柴油机预热腔温度场分析42-62 3.1 引言42 3.2 预热腔温度场的数值模拟部分42-50
3.2.1 预热腔模型的建立43-44
3.2.2 模型网格划分44-45
3.2.3 预热腔数学模型45-48
3.2.3.1 湍流模型的选择45-46
3.2.3.2 辐射模型的选择46-48
3.2.4 材料热物理性能参数48
3.2.5 边界条件的设置48-49
3.2.6 离散格式的选择49
3.2.7 模拟参数49-50 3.3 预热器和预热腔参数对预热性能影响的结果与讨论50-54
3.3.1 预热腔温度场模拟结果分析50
3.3.2 加热片厚度对预热腔预热性能的影响50-51
3.3.3 加热片长度对预热腔预热性能的影响51-52
3.3.4 加热片放置位置对预热腔预热性能的影响52-53
3.3.5 蓄电池电压对预热性能的影响53-54
3.3.6 预热腔的腔径对预热性能的影响54 3.4 预热效果的正交模拟分析54-59
3.4.1 正交试验法基本概述54
3.4.2 正交表实验方案的设计54-56
3.4.3 正交试验结果分析56-59
3.4.4 最优参数的数值模拟验证59 3.5 本章小结59-62第四章 结论与展望62-64 4.1 结论62-63 4.2 创新点63 4.3 展望63-64参考文献64-68致谢68
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FENG Weihua
作者单位：
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