攻讀博士學(xué)位期間擬進(jìn)行的科學(xué)研究設(shè)想

2023年12月22日發(fā)(作者：安妮的口技)

攻讀博士學(xué)位期間擬進(jìn)行的科學(xué)研究設(shè)想

研究方向：高溫碳?xì)淙剂侠鋮s系統(tǒng)的不穩(wěn)定性研究

博士研究生科學(xué)研究設(shè)想

申請人：XXX

報考導(dǎo)師：XXX 教授

2013年9月28日

目 錄

一、前言 ...........................................................................................................................

1

1、自我介紹 ...................................................................................................................

1

2、個人能力 ...................................................................................................................

1

3、缺點局限 ...................................................................................................................

1

二、數(shù)值研究 ....................................................................................................................

2

1、數(shù)值研究背景 ............................................................................................................

2

2、數(shù)值研究設(shè)想 ............................................................................................................

3

三、實驗研究 ....................................................................................................................

4

1、實驗研究背景 ............................................................................................................

4

2、實驗研究設(shè)想 ............................................................................................................

4

四、總結(jié) ...........................................................................................................................

5

參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................................

6

博士研究生科學(xué)研究設(shè)想

一、前言

1、自我介紹

我是XX大學(xué)2011級碩士研究生XXX，申請進(jìn)入哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)動力技術(shù)研究所攻讀博士學(xué)位，研究方向為高溫碳?xì)淙剂侠鋮s系統(tǒng)的不穩(wěn)定性研究。

我于2007年進(jìn)入XX大學(xué)攻讀XX專業(yè)學(xué)士學(xué)位，在本科畢業(yè)后因?qū)娇蘸教旆矫娴呐d趣，2011年繼續(xù)在XX大學(xué)攻讀XX碩士學(xué)位。首先，考慮到哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)動力技術(shù)研究所在高超熱防護(hù)主動冷卻方向具有國內(nèi)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(jìn)一步深造的需求，再者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)提供了申請的平臺，因此向哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出攻讀博士研究生的申請。

2、個人能力

本人在碩士學(xué)習(xí)期間，在課程學(xué)習(xí)和參與科研項目期間，在某些方面能力得到了鍛煉和提高，現(xiàn)介紹如下。

（1）外文文獻(xiàn)翻譯能力、表達(dá)能力、編程能力：研究生期間的“高超音速推進(jìn)系統(tǒng)”課程中，要求學(xué)生翻譯外文教材并在課上講述教材內(nèi)容；“計算流體力學(xué)”課程中，要求學(xué)生獨立完成程序調(diào)試工作；“火箭發(fā)動機(jī)燃燒與流動”課程中，要求學(xué)生以團(tuán)隊方式完成固體火箭發(fā)動內(nèi)彈道計算程序的編寫。本人在這些課程當(dāng)中表現(xiàn)優(yōu)異，在完成課程任務(wù)期間，外文文獻(xiàn)翻譯能力、表達(dá)能力、編程能力都得到了提高。

（2）ANSYS Workbench工程設(shè)計、裝配體結(jié)構(gòu)設(shè)計能力：本人在研一期間參與863項目“大尺寸復(fù)雜組件的連接與熱匹配技術(shù)”，主動承擔(dān)了該項目熱防護(hù)方面計算任務(wù)，掌握了對ANSYS相關(guān)軟件的使用，并獨立設(shè)計完成新型熱防護(hù)結(jié)構(gòu)層連接方式的CAD設(shè)計和熱匹配計算。

（3）CFD相關(guān)軟件的使用及二次開發(fā)、QT界面程序開發(fā)：本人在研二期間參與中船重工集團(tuán)某所項目“防爆抑爆仿真軟件和艙壁噴淋仿真軟件”，負(fù)責(zé)后處理程序開發(fā)與界面設(shè)計，掌握了對CFD軟件的二次開發(fā)及QT界面程序開發(fā)。

（4）數(shù)據(jù)處理分析、文章撰寫：本人在研二期間參科工集團(tuán)某院項目“噴管二次噴射流場研究”，承擔(dān)了主要計算任務(wù)及主體報告的撰寫，期間掌握了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技巧，并完成了對大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理分析，完成了技術(shù)報告的撰寫工作。項目期間，發(fā)表會議論文兩篇， EI論文一篇。

3、缺點局限

本科及碩士期間，由于學(xué)習(xí)能力有限，本人還有很多方面的缺點和能力的局限，現(xiàn)介紹1

博士研究生科學(xué)研究設(shè)想

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(jīng)驗，未發(fā)表過外文文章。

（2）實驗操作能力較弱：本人碩士期間以數(shù)值模擬為主，實驗研究接觸較少，缺少實驗研究經(jīng)驗。

（3）管理組織能力較弱：本人本科及碩士期間，以個人承擔(dān)科研任務(wù)為主，較少接觸科研團(tuán)隊模式，缺少科研管理經(jīng)驗。

二、數(shù)值研究

1、數(shù)值研究背景

超燃沖壓發(fā)動機(jī)在高超聲速飛行過程中會面臨惡劣的熱環(huán)境，表1給出了馬赫數(shù)為6和8時發(fā)動機(jī)燃燒室中的總溫和靜壓[1]。超燃沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜激波波系、燃燒脈動和燃燒振蕩導(dǎo)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(dǎo)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(fā)動機(jī)而言，熱管理系統(tǒng)十分重要。

表1 馬赫數(shù)6和馬赫數(shù)8發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)總溫和靜壓

飛行條件

巡航馬赫數(shù)

6

8

燃燒室最大壓力位燃燒室最大溫度位置 置

動壓Pmax/(Pa) Ttotal/(K) Plocal/(Pa) Ttotal/(K)

/(Pa)

71820 301650 2500 67032 2700

71820 196310 3050 52668 3100

碳?xì)淙剂鲜轻槍Τ紱_壓發(fā)動機(jī)的熱管理問題所提出來的。作為一種可燃冷卻劑，碳?xì)淙剂嫌捎诨瘜W(xué)反應(yīng)能夠提供更高的熱沉，且具有來源廣泛、使用安全、價格低廉等優(yōu)點，是系統(tǒng)利用再生冷卻熱防護(hù)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(fā)動機(jī)主動冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：目前國外建立了結(jié)合試驗研究的若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(yīng)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發(fā)展的MOSAR程序[6]。國內(nèi)也就超燃沖壓發(fā)動機(jī)再生冷卻的傳熱過程建立了數(shù)學(xué)模型，就再生冷卻通道的幾何參數(shù)對換熱的影響進(jìn)行了分析并同實驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。牛祿就層板推力室再生冷卻通道的傳熱特性進(jìn)行了分析[7]，李軍偉研究了一種計算再生冷卻推力室溫度場的方法2

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[8]，蔣勁等人開發(fā)了超燃沖壓發(fā)動機(jī)再生冷卻熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算工具[9]。

（2）高超聲速飛行器的碳?xì)淙剂狭呀庑再|(zhì)的數(shù)值研究方面：美國編制一維數(shù)學(xué)模型模擬碳?xì)淙剂系膫鳠醾髻|(zhì)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?xì)淙剂洗呋摎涞男阅苡绊?，并利用實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證。法國為了評估燃油的熱沉，利用軟件得到燃油反應(yīng)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(xué)模型以及化學(xué)動力學(xué)模型，模擬燃料熱裂解性能，并與實驗結(jié)果結(jié)合很好。俄國建立結(jié)焦模型，湍流模型，通過傳熱邊界條件，并利用碳?xì)淙剂狭呀獾膶嶒灲Y(jié)果，指導(dǎo)數(shù)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(zhì)，估算真實條件下燃油的熱沉[12]。國內(nèi)對應(yīng)用于高超聲速飛行器方面的碳?xì)淙剂系臒崃呀鈹?shù)值模擬研究起步較晚，鮑文、周偉星等提出了一個一維非穩(wěn)態(tài)模型來研究碳?xì)淙剂系牧呀夥磻?yīng)與流動換熱過程的耦合特性[13]。

（3）超臨界條件下碳?xì)淙剂狭鲃訐Q熱特性方面：Brad Hitch等人對超臨界條件下碳?xì)淙剂系膿Q熱特性研究表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(guān)系式和氫屬性數(shù)據(jù)不確定性的影響，表明屬性數(shù)據(jù)的不確定性可高達(dá)10％[15]。國內(nèi)方面，中國科學(xué)研究院范學(xué)軍、俞剛等對跨臨界區(qū)煤油的傳熱流動特性進(jìn)行了研究，但是統(tǒng)一的換熱特征表達(dá)式由于跨臨界煤油換熱流動的復(fù)雜性未給出[16]；清華大學(xué)侯凌云等人開展了對乳化煤油的傳熱性能的數(shù)值研究，研究了熱流密度和析碳對乳化煤油換熱的影響 [17]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)鮑文等人就超臨界碳?xì)淙剂狭鲃訐Q熱展開了仿真研究，建立了適用于溫度、壓力大范圍變化的超臨界碳?xì)淙剂蠐Q熱特性研究的一維模型[18]。

2、數(shù)值研究設(shè)想

針對目前的數(shù)值研究背景，總結(jié)如下：

（1）在超燃沖壓發(fā)動機(jī)主動冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，國外已經(jīng)設(shè)計開發(fā)多個專項程序，并已經(jīng)開發(fā)綜合熱管理分析程序；國內(nèi)目前處在設(shè)計數(shù)學(xué)模型及專項軟件開發(fā)階段。

（2）在碳?xì)淙剂狭呀庑再|(zhì)的數(shù)值研究方面，美國較為領(lǐng)先，國外在建立熱力學(xué)模型以及化學(xué)動力學(xué)模型方面的工作較多；國內(nèi)目前在碳?xì)淙剂狭呀庑再|(zhì)的數(shù)值研究目前還在起步階段，國內(nèi)目前的裂解模型誤差較大。

（3）超臨界條件下碳?xì)淙剂狭鲃訐Q熱特性方面，國外研究起步較早，法國已建立仿真平臺；國內(nèi)研究也取得階段性成果，哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)動力研究所建立了適用于溫度、壓力大范圍變化的一維模型。

本人根據(jù)目前研究背景及個人能力，做出博士期間如下有關(guān)數(shù)值研究方向的研究設(shè)想：

（1）針對目前已有超臨界碳?xì)淙剂蠐Q熱特性研究的一維模型，進(jìn)行改進(jìn)和提高，在此方向上預(yù)期發(fā)表一篇EI論文。

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博士研究生科學(xué)研究設(shè)想

（2）深入所內(nèi)目前碳?xì)淙剂狭呀庑再|(zhì)的研究，在改進(jìn)模型的基礎(chǔ)上，嘗試將其研究成果和改進(jìn)模型進(jìn)行融合，并與實驗研究相互配合，在此方向上預(yù)期發(fā)表一篇EI論文或SCI論文。

（3）在上述預(yù)期工作之上，整合數(shù)值研究成果，嘗試開發(fā)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(yù)期申請1項專利。

（4）因個人對推進(jìn)系統(tǒng)方向的興趣，如有條件，預(yù)期開展發(fā)動機(jī)壓縮系統(tǒng)、燃燒室系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)的氣動數(shù)值研究，并將其與熱防護(hù)傳熱問題相結(jié)合。

三、實驗研究

1、實驗研究背景

數(shù)值研究和實驗研究在現(xiàn)在的科學(xué)研究中是相輔相成的，數(shù)值研究背景中的內(nèi)容很多也同樣是實驗研究背景的內(nèi)容，實驗研究為數(shù)值研究提供基礎(chǔ)，而數(shù)值研究又為實驗研究提供指導(dǎo)。目前超然沖壓發(fā)動機(jī)主動冷卻方面較為關(guān)注的實驗主要有如下兩個方面。

（1）主動冷卻流道設(shè)計：其結(jié)構(gòu)設(shè)計方向目前國外建立了結(jié)合試驗研究的若干熱分析計算研究程序，并在材料和加工工藝方面有領(lǐng)先地位?？紤]到超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室的惡劣環(huán)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(jī)械加工兩種方法，電化學(xué)技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的三氯化鐵蝕刻溶液對鎳基耐熱合金進(jìn)行蝕刻，但蝕刻過程中板上電流不均勻?qū)?dǎo)致蝕刻板邊緣的通道比中心區(qū)域的深，還發(fā)現(xiàn)蝕刻過程中通道的角有變圓的趨勢[19][20]。與金屬材料相比，超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室使用復(fù)合材料（目前有C/C和C/SiC兩種）主動冷卻部件可減輕系統(tǒng)質(zhì)量，降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，基于耐高溫復(fù)合材料的復(fù)合主動冷卻結(jié)構(gòu)是一種極具應(yīng)用潛力的解決方案[21]，法國、德國、美國、日本等相繼開展了復(fù)合材料部件的開發(fā)驗證工作，包括美國與法國合作的先進(jìn)復(fù)合材料燃燒室（AC3P）計劃、法國與德國合作的PTAH-SOCAR計劃。

（2）碳?xì)淙剂显诔R界狀態(tài)下的熱物性：一是產(chǎn)物的成分分析，裂解的氣態(tài)產(chǎn)物成分可以通過氣相色譜儀進(jìn)行分析，液態(tài)產(chǎn)物由于成分復(fù)雜，色譜分析的難度和誤差均較大，有待改善[22]。二是化學(xué)熱沉的測量?；瘜W(xué)熱沉與溫度和滯留時間有關(guān)，中科院正在進(jìn)行相關(guān)工作[22][23]。三是對結(jié)焦的研究。一般認(rèn)為氧化結(jié)焦、金屬和燃料反應(yīng)形成纖維碳、裂解產(chǎn)物結(jié)焦是造成結(jié)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表面上產(chǎn)生碳沉積。減少結(jié)焦的方法還在繼續(xù)研究[25]。

2、實驗研究設(shè)想

針對目前的實驗研究背景，總結(jié)如下：

（1）目前國內(nèi)的冷卻流道設(shè)計局限于兩個方面：一是加工工藝及材料研究滯后，二是從4

博士研究生科學(xué)研究設(shè)想

全局熱管理角度出發(fā)的流道研究較少。

（2）目前國內(nèi)在碳?xì)淙剂显诔R界狀態(tài)下的熱物性局限于：一是測試技術(shù)的不匹配，裂解產(chǎn)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(yīng)用研究多而機(jī)理研究少。

本人根據(jù)目前研究背景及個人能力，做出博士期間如下有關(guān)實驗研究方向的研究設(shè)想：

（1）基于目前研究所實驗條件和科研項目，在超臨界條件下碳?xì)淙剂狭鲃訐Q熱特性方面開展實驗研究，并用于指導(dǎo)和支持?jǐn)?shù)值研究以及程序開發(fā)，在此方向上預(yù)期發(fā)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項目，深入碳?xì)淙剂狭呀庑再|(zhì)的研究，并用于指導(dǎo)和支持?jǐn)?shù)值研究，在此方向上預(yù)期發(fā)表一篇EI論文或SCI論文。

（3）因個人對推進(jìn)系統(tǒng)方向的興趣，如有條件，預(yù)期開展發(fā)動機(jī)壓縮系統(tǒng)、燃燒室系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)的氣動實驗研究，并將其與熱防護(hù)傳熱問題相結(jié)合。

四、總結(jié)

本人通過簡要分析目前的高溫碳?xì)淙剂侠鋮s系統(tǒng)的研究背景，并考慮到個人的能力與局限，做出了數(shù)值研究和實驗研究兩方面的科研設(shè)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(shè)想必定存在諸多缺陷和實現(xiàn)較為困難的方面。

本人科研設(shè)想具體可歸結(jié)為三個方面：一是超臨界碳?xì)淙剂狭鲃訐Q熱特性的研究，包括數(shù)學(xué)模型的研究、實驗研究及其與數(shù)值研究的對比、計算程序的開發(fā)；二是碳?xì)淙剂狭呀鈾C(jī)理的研究，包括測試方法的改進(jìn)、裂解產(chǎn)物的研究、有裂解的超臨界碳?xì)淙剂狭鲃訐Q熱的數(shù)值研究；三是因個人興趣預(yù)期開展發(fā)動機(jī)壓縮系統(tǒng)、燃燒室系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)的氣動研究，及其與熱防護(hù)傳熱問題的結(jié)合。

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