攻讀博士學位期間擬進行的科學研究設想

2023年12月22日發(作者：爽口)

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研究方向：高溫碳氫燃料冷卻系統的不穩定性研究.

博士研究生科學研究設想

申請人：XXX

報考導師：XXX 教授

2021年9月28日

.可修編.

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目錄

一、前言1

1、自我介紹1

2、個人能力1

3、缺點局限2

二、數值研究2

1、數值研究背景2

2、數值研究設想3

三、實驗研究4

1、實驗研究背景4

2、實驗研究設想5

四、總結5

參考文獻5

. .可修編.

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一、前言

1、自我介紹

我是XX大學2021級碩士研究生XXX，申請進入工業大學能源科學與工程學院先進動力技術研究所攻讀博士學位，研究方向為高溫碳氫燃料冷卻系統的不穩定性研究。

我于2007年進入XX大學攻讀XX專業學士學位，在本科畢業后因對航空航天方面的興趣，2021年繼續在XX大學攻讀XX碩士學位。首先，考慮到工業大學能源科學與工程學院先進動力技術研究所在高超熱防護主動冷卻方向具有國一流的硬件及軟件條件，其次，考慮到自身條件及個人興趣，有進一步深造的需求，再者，工業大學現提供了申請的平臺，因此向工業大學提出攻讀博士研究生的申請。

2、個人能力

本人在碩士學習期間，在課程學習和參與科研工程期間，在某些方面能力得到了鍛煉和提高，現介紹如下。

〔1〕外文文獻翻譯能力、表達能力、編程能力：研究生期間的“高超音速推進系統〞課程中，要求學生翻譯外文教材并在課上講述教材容；“計算流體力學〞課程中，要求學生獨立完成程序調試工作；“火箭發動機燃燒與流動〞課程中，要求學生以團隊方式完成固體火箭發動彈道計算程序的編寫。本人在這些課程當中表現優異，在完成課程任務期間，外文文獻翻譯能力、表達能力、編程能力都得到了提高。

〔2〕ANSYS Workbench工程設計、裝配體構造設計能力：本人在研一期間參與863工程“大尺寸復雜組件的連接與熱匹配技術〞，主動承當了該工程熱防護方面計算任務，掌握了對ANSYS相關軟件的使用，并獨立設計完成新型熱防護構造層連接方式的CAD設計和熱匹配計算。

〔3〕CFD相關軟件的使用及二次開發、QT界面程序開發：本人在研二期間參與重工集團某所工程“防爆抑爆仿真軟件和艙壁噴淋仿真軟件〞，負責后處理程序開發與界面設計，掌握了對CFD軟件的二次開發及QT界面程序開發。

〔4〕數據處理分析、文章撰寫：本人在研二期間參科工集團某院工程“噴管二次噴射流場研究〞，承當了主要計算任務及主體報告的撰寫，期間掌握了復雜構造的高質量構造網格劃分技巧，并完成了對大規模數據的處理分析，完成了技術報告的撰寫工作。工程期間，發表會議論文兩篇，EI論文一篇。

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3、缺點局限

本科及碩士期間，由于學習能力有限，本人還有很多方面的缺點和能力的局限，現介紹如下：

〔1〕外語能力較弱：本人在外語交流能力上較弱，在外文文章寫作方面有待提高，缺少外文文章的撰寫經歷，未發表過外文文章。

〔2〕實驗操作能力較弱：本人碩士期間以數值模擬為主，實驗研究接觸較少，缺少實驗研究經歷。

〔3〕管理組織能力較弱：本人本科及碩士期間，以個人承當科研任務為主，較少接觸科研團隊模式，缺少科研管理經歷。

二、數值研究

1、數值研究背景

超燃沖壓發動機在高超聲速飛行過程中會面臨惡劣的熱環境，表1給出了馬赫數為6和8時發動機燃燒室中的總溫和靜壓[1]。超燃沖壓發動機部的復雜激波波系、燃燒脈動和燃燒振蕩導致壁面的換熱條件變化很大，這樣惡劣的條件很容易使燃燒室局部熱流密度過大，局部壁面溫度過高，導致燃燒室壁面燒毀。因此對于需要長時間工作的超燃沖壓發動機而言，熱管理系統十分重要。

表1 馬赫數6和馬赫數8發動機燃燒室總溫和靜壓

飛行條件

巡航馬赫數

6

8

動壓/(Pa)

71820

71820

燃燒室最大壓力位置

Pmax/(Pa)

301650

196310

Ttotal/(K)

2500

3050

燃燒室最大溫度位置

Plocal/(Pa)

67032

52668

Ttotal/(K)

2700

3100

碳氫燃料是針對超燃沖壓發動機的熱管理問題所提出來的。作為一種可燃冷卻劑，碳氫燃料由于化學反響能夠提供更高的熱沉，且具有來源廣泛、使用平安、價格低廉等優點，是系統利用再生冷卻熱防護較為理想的燃料，其傳熱及裂解特性是研究的主要重點。

〔1〕超燃沖壓發動機主動冷卻構造設計方面：目前國外建立了結合試驗研究的假設干熱分析計算研究程序，例如M.H. Naraghi[2][3]，建立的計算程序RTE；應用于NASP的飛行器綜合熱管理分析程序VITMAC[4]；法國MBDA的一維NANCY程序[5]以及ONERA開展的MOSAR程序[6]。國也就超燃沖壓發動機再生冷卻的傳熱過程建立了數學模型，就再生冷卻通道的幾何參數對換熱的影響進展了分析并同實驗結果進展了比照分析。牛祿就層板推力室再生冷卻通道的- . - 總結資料-

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傳熱特性進展了分析[7]，軍偉研究了一種計算再生冷卻推力室溫度場的方法[8]，勁等人開發了超燃沖壓發動機再生冷卻熱構造設計的計算工具[9]。

〔2〕高超聲速飛行器的碳氫燃料裂解性質的數值研究方面：美國編制一維數學模型模擬碳氫燃料的傳熱傳質性能，計算燃油的熱沉[10]；美國也利用了多維模型模擬熱流密度和流量對碳氫燃料催化脫氫的性能影響，并利用實驗結果進展比照驗證。法國為了評估燃油的熱沉，利用軟件得到燃油反響中各個組分的熵，從而得到燃油的熱值[11]。捷克通過對燃油建立熱力學模型以及化學動力學模型，模擬燃料熱裂解性能，并與實驗結果結合很好。俄國建立結焦模型，湍流模型，通過傳熱邊界條件，并利用碳氫燃料裂解的實驗結果，指導數值模擬計算；俄國通過編制三維流動模型模擬燃油裂解性質，估算真實條件下燃油的熱沉[12]。國對應用于高超聲速飛行器方面的碳氫燃料的熱裂解數值模擬研究起步較晚，鮑文、周偉星等提出了一個一維非穩態模型來研究碳氫燃料的裂解反響與流動換熱過程的耦合特性[13]。

〔3〕超臨界條件下碳氫燃料流動換熱特性方面：Brad Hitch等人對超臨界條件下碳氫燃料的換熱特性研究說明在浮力效果對換熱特性有一定的影響[14]。Justin M. Locke在文章中探討了以往熱的超臨界氫的傳熱關系式和氫屬性數據不確定性的影響，說明屬性數據的不確定性可高達10％[15]。國方面，中國科學研究院學軍、俞剛等對跨臨界區煤油的傳熱流動特性進展了研究，但是統一的換熱特征表達式由于跨臨界煤油換熱流動的復雜性未給出[16]；清華大學侯凌云等人開展了對乳化煤油的傳熱性能的數值研究，研究了熱流密度和析碳對乳化煤油換熱的影響[17]；工業大學鮑文等人就超臨界碳氫燃料流動換熱展開了仿真研究，建立了適用于溫度、壓力大圍變化的超臨界碳氫燃料換熱特性研究的一維模型[18]。

2、數值研究設想

針對目前的數值研究背景，總結如下：

〔1〕在超燃沖壓發動機主動冷卻構造設計方面，國外已經設計開發多個專項程序，并已經開發綜合熱管理分析程序；國目前處在設計數學模型及專項軟件開發階段。

〔2〕在碳氫燃料裂解性質的數值研究方面，美國較為領先，國外在建立熱力學模型以及化學動力學模型方面的工作較多；國目前在碳氫燃料裂解性質的數值研究目前還在起步階段，國目前的裂解模型誤差較大。

〔3〕超臨界條件下碳氫燃料流動換熱特性方面，國外研究起步較早，法國已建立仿真平臺；國研究也取得階段性成果，工業大學先進動力研究所建立了適用于溫度、壓力大圍變化的一維模型。

本人根據目前研究背景及個人能力，做出博士期間如下有關數值研究方向的研究設想：

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〔1〕針對目前已有超臨界碳氫燃料換熱特性研究的一維模型，進展改良和提高，在此方向上預期發表一篇EI論文。

〔2〕深入所目前碳氫燃料裂解性質的研究，在改良模型的根底上，嘗試將其研究成果和改良模型進展融合，并與實驗研究相互配合，在此方向上預期發表一篇EI論文或SCI論文。

〔3〕在上述預期工作之上，整合數值研究成果，嘗試開發適用于研究所目前科研工作的圖形界面程序，在此方向上預期申請1項專利。

〔4〕因個人對推進系統方向的興趣，如有條件，預期開展發動機壓縮系統、燃燒室系統、膨脹系統的氣動數值研究，并將其與熱防護傳熱問題相結合。

三、實驗研究

1、實驗研究背景

數值研究和實驗研究在現在的科學研究中是相輔相成的，數值研究背景中的容很多也同樣是實驗研究背景的容，實驗研究為數值研究提供根底，而數值研究又為實驗研究提供指導。目前超然沖壓發動機主動冷卻方面較為關注的實驗主要有如下兩個方面。

〔1〕主動冷卻流道設計：其構造設計方向目前國外建立了結合試驗研究的假設干熱分析計算研究程序，并在材料和加工工藝方面有領先地位。考慮到超燃沖壓發動機燃燒室的惡劣環境，壁面材料一般采用耐高溫和抗腐蝕的鎳基合金。針對金屬材料，目前冷卻通道的制造采用蝕刻和機械加工兩種方法，電化學技術可以替代傳統的三氯化鐵蝕刻溶液對鎳基耐熱合金進展蝕刻，但蝕刻過程中板上電流不均勻將導致蝕刻板邊緣的通道比中心區域的深，還發現蝕刻過程道的角有變圓的趨勢[19][20]。與金屬材料相比，超燃沖壓發動機燃燒室使用復合材料〔目前有C/C和C/SiC兩種〕主動冷卻部件可減輕系統質量，降低構造復雜性，基于耐高溫復合材料的復合主動冷卻構造是一種極具應用潛力的解決方案[21]，法國、德國、美國、日本等相繼開展了復合材料部件的開發驗證工作，包括美國與法國合作的先進復合材料燃燒室〔AC3P〕方案、法國與德國合作的PTAH-SOCAR方案。

〔2〕碳氫燃料在超臨界狀態下的熱物性：一是產物的成分分析，裂解的氣態產物成分可以通過氣相色譜儀進展分析，液態產物由于成分復雜，色譜分析的難度和誤差均較大，有待改善[22]。二是化學熱沉的測量。化學熱沉與溫度和滯留時間有關，中科院正在進展相關工作[22][23]。三是對結焦的研究。一般認為氧化結焦、金屬和燃料反響形成纖維碳、裂解產物結焦是造成結焦的 3 個主要原因[24]，另外，燃料流體中存在的游離碳也會沉積在金屬外表上產生碳沉積。減少結焦的方法還在繼續研究[25]。

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2、實驗研究設想

針對目前的實驗研究背景，總結如下：

〔1〕目前國的冷卻流道設計局限于兩個方面：一是加工工藝及材料研究滯后，二是從全局熱管理角度出發的流道研究較少。

〔2〕目前國在碳氫燃料在超臨界狀態下的熱物性局限于：一是測試技術的不匹配，裂解產物的分析、加熱試驗中溫度與熱流量測定都有待提高；二是工程應用研究多而機理研究少。

本人根據目前研究背景及個人能力，做出博士期間如下有關實驗研究方向的研究設想：

〔1〕基于目前研究所實驗條件和科研工程，在超臨界條件下碳氫燃料流動換熱特性方面開展實驗研究，并用于指導和支持數值研究以及程序開發，在此方向上預期發表一篇EI論文或SCI論文。

〔2〕基于目前研究所實驗條件和科研工程，深入碳氫燃料裂解性質的研究，并用于指導和支持數值研究，在此方向上預期發表一篇EI論文或SCI論文。

〔3〕因個人對推進系統方向的興趣，如有條件，預期開展發動機壓縮系統、燃燒室系統、膨脹系統的氣動實驗研究，并將其與熱防護傳熱問題相結合。

四、總結

本人通過簡要分析目前的高溫碳氫燃料冷卻系統的研究背景，并考慮到個人的能力與局限，做出了數值研究和實驗研究兩方面的科研設想，由于缺少對研究前沿的把握和對報考研究所的深入了解，其科研設想必定存在諸多缺陷和實現較為困難的方面。

本人科研設想具體可歸結為三個方面：一是超臨界碳氫燃料流動換熱特性的研究，包括數學模型的研究、實驗研究及其與數值研究的比照、計算程序的開發；二是碳氫燃料裂解機理的研究，包括測試方法的改良、裂解產物的研究、有裂解的超臨界碳氫燃料流動換熱的數值研究；三是因個人興趣預期開展發動機壓縮系統、燃燒室系統、膨脹系統的氣動研究，及其與熱防護傳熱問題的結合。

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