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高密度激光制造技术在超燃冲压发动机热防护中的应用

在高超声速飞行环境中，发动机的核心部件承受着高温高压高速气流烧蚀的极端恶劣工况，使得零部件的热防护成为关键问题之一。本文以发动机热防护为背景，阐述了与此相关的激光熔覆、激光打孔和激光焊接三大类典型高密度激光制造的应用。采用难熔金属的激光熔覆成形技术，形成与基体冶金结合的、具有梯度功能的熔覆层，提高了零件在高超声速气流烧蚀环境中的热防护能力。采用激光精微打孔技术可以在平面及曲面上实现各类异型孔和大深径比喷油群孔的加工。对发动机燃油冷却结构件进行激光搭接焊工艺试验，实现结构件上板焊透下板部分焊透的效果，变形小，结构强度高

激光打孔过程三维瞬态数值模拟

建立了激光打孔过程的固/液/气三相三维数值计算模型,采用水平集(level-set)方法处理能量输入边界并追踪气液(L/V)界面发展,从而对激光打孔过程中的孔壁变化进行描述.模型综合考虑了材料气化、熔融液体溅射两种效应,涉及熔化潜热、气化潜热吸收及辐射散热损失等因素.基于有限体积法,编制计算程序,对激光打孔过程中的温度场、孔型演化过程进行了数值模拟,探讨了不同激光参数对打孔过程的影响.该模型对认识和研究激光打孔行为具有参考价值,也可以扩展至其他高能束流在材料表面的打孔描述

Effect of Geometry Characteristics on Internal Cavitation Flow of Injection Nozzle with Varying Hole Cross-Section

采用混合多相流模型及空穴模型相结合的方法,对喷油嘴激光打孔过程形成的变截面喷油孔内空穴流动现象进行数值模拟,重点分析喷孔几何特征对空穴流动状态的影响规律.结果表明,变截面喷孔内喷孔截面收缩或者扩张的程度及位置对孔内燃油空穴流动状态具有重要影响.截面收缩型的喷孔可在出口形成更大的空穴强度分布,利于促进燃油的初次分裂及雾化.截面扩张型喷孔可使得出口燃油速度分布更均匀,出口平均速度增大,从而提高流量系数;研究还发现,相对于直喷孔,变截面喷油孔内空穴流动状态对孔入口倒角变化的敏感性减小,这将有利于提高多孔喷嘴各孔流量及雾化的均匀性

Three-dimensional transient numerical simulation of laser drilling process

建立了激光打孔过程的固/液/气三相三维数值计算模型,采用水平集(level-set)方法处理能量输入边界并追踪气液(L/V)界面发展,从而对激光打孔过程中的孔壁变化进行描述.模型综合考虑了材料气化、熔融液体溅射两种效应,涉及熔化潜热、气化潜热吸收及辐射散热损失等因素.基于有限体积法,编制计算程序,对激光打孔过程中的温度场、孔型演化过程进行了数值模拟,探讨了不同激光参数对打孔过程的影响.该模型对认识和研究激光打孔行为具有参考价值,也可以扩展至其他高能束流在材料表面的打孔描述

Effect of Geometry Characteristics on Internal Cavitation Flow of Injection Nozzle with Varying Hole Cross-Section

采用混合多相流模型及空穴模型相结合的方法,对喷油嘴激光打孔过程形成的变截面喷油孔内空穴流动现象进行数值模拟,重点分析喷孔几何特征对空穴流动状态的影响规律.结果表明,变截面喷孔内喷孔截面收缩或者扩张的程度及位置对孔内燃油空穴流动状态具有重要影响.截面收缩型的喷孔可在出口形成更大的空穴强度分布,利于促进燃油的初次分裂及雾化.截面扩张型喷孔可使得出口燃油速度分布更均匀,出口平均速度增大,从而提高流量系数;研究还发现,相对于直喷孔,变截面喷油孔内空穴流动状态对孔入口倒角变化的敏感性减小,这将有利于提高多孔喷嘴各孔流量及雾化的均匀性

一种发动机燃油喷嘴

本发明公开了一种发动机燃油喷嘴包括：喷油嘴本体，在该喷油嘴本体上开设有喷油孔，所述喷油孔的纵截面轮廓线满足如下条件，(x-Xo)2+(y-Yo)2-R2＝0。本发明采用变直径的喷油孔结构，相对于目前常规的等直径喷油孔结构，能够提高发动机燃油喷射时的流动及雾化性能，继而改善发动机的燃油经济性和排放性能。通过数值计算发现，在相同的条件下，中部收缩型的喷嘴在喷孔出口的空穴气泡含量比直孔气泡含量大40％左右，这样会使得出口燃油扰动加剧，有利于提高燃油一次雾化效果。中部扩张型喷孔，相同条件下的流量系数会比直孔的流量系数提高10％左右；而渐缩型喷孔相对于直孔，具有较高的保压性能，出口的能量提高20％左右

Two-Dimensional Numerical Investigation for the Effects of Laser Process Parameters on Hole Type during Laser Drilling

针对孔型随激光工艺参数变化的特点,建立了具有光束传输和强度分布的激光打孔瞬态二维有限元模型,对孔型演化进行了数值模拟研究。模型考虑了激光束空间分布和材料相变潜热对孔的影响,给出了小孔的温度场瞬态分布和界面演化过程。结果表明,打孔速度随激光与材料作用时间增加而增大,钻孔速度大约在1 m/s量级,而孔径在打孔初期增大之后变化不大。比较了不同参数下各种孔型,包括直筒型、倒锥型和正锥型等,横截面的仿真结果与试验观测值吻合较好。仿真方法可以准确地模拟激光打通孔的过程,为实际工艺研究提供参考

基于纳米铝热剂的MEMS固体微推力器点火实验研究

MEMS固体微推力器可以形成单元数量巨大的微推力器阵列,适合低成本微、纳卫星系统,是极具潜力的新型卫星推力器。为研究基于纳米铝热剂的MEMS推力器工作特性,开展了大气和真空点火实验。大气下的燃烧羽流与空气进一步燃烧,导致羽流的发光持续时间约数ms,远大于真空试验,过估了在真空条件下的推力器作用时间。真空试验获得了动态推力特征和有效工作时间(约250μs),估算推力器的冲量约55μN·s～80μN·s。羽流影响范围的直径约为30mm、流向约70mm,羽流颗粒的运动速度约132m/s。测试结果显示,底部点火先将推进剂挤出喷孔,而后在外部燃烧和爆炸。羽流形貌有两种特征:一种是剧烈爆炸,产生蘑菇云状气体产物;而另一种未产生气状产物。前者的冲量和有效工作时间大于后者