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

1、博士研究生科學(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)定性研究申請人：xxx報考導(dǎo)師：xxx 教授2013年9月28日目 錄一、前言11、自我介紹12、個人能力13、缺點局限1二、數(shù)值研究21、數(shù)值研究背景22、數(shù)值研究設(shè)想3三、實驗研究41、實驗研究背景42、實驗研究設(shè)想4四、總結(jié)5參考文獻(xiàn)6一、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)

2、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

3、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

4、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

5、：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燃燒室最大壓力位置燃燒室最大溫度位置巡航馬赫數(shù)動壓/(pa)pmax/(pa)ttotal/

6、(k)plocal/(pa)ttotal/(k)67182030165025006703227008718201963103050526683100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. naraghi23，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vitmac4；法國mbda的一維

7、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

8、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

9、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)1015。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

10、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

11、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。（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

12、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1920。與金屬

13、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2223。三

14、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：（

15、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

16、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。參考文獻(xiàn)1 review and evaluation of the air force hypersonic technology program.1998(6).2 m.h. nar

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