多力场耦合条件下T型圆管通道内流体热混合机理研究

针对海洋动力平台和船舶动力装置中T型圆管通道内冷热流体间的热混合机理尚不清楚的问题,利用大涡模拟方法,对不同支管布置方式高温高压工况下(运行压力为10 MPa,进口流体温差为275 K,摇摆雷诺数为41 500)的多力场耦合T型圆管通道内流体热混合机理进行数值研究。利用提出的混合系数定量评价了不同布置方式下T型圆管通道内流体混合效果,利用均方根温度定量评价了不同布置方式下T型圆管通道管壁处温度脉动情况。结果表明:剪切层和尾迹区内涡结构与温度场存在时间和空间上的协同机制,且涡脱落频率和温度脉动频率基本相同,脱落频率为19.3 Hz;附加惯性力引起T型圆管通道内涡结构和温度场在时间和空间上周期性变化,加速了流体混合过程,削弱了浮升力和重力引起的热分层现象,同时增大了流体域内温度波动,长度约为10.2 D(D为主管内径);与对应的静止工况相比,支管竖直向上、水平和竖直向下布置时,摇摆条件下混合系数分别增大了10.8%、18.3%和27.8%;摇摆条件竖直向下布置时,管壁处温度均方根峰值最大为0.16,约为静止工况的2倍。因此,支管竖直向上布置时,热混合效果最好,热分层现象最弱,在实际应用中应被优先考虑。

自适应变分模态分解算法在高温高压水空化特性分析中的应用

针对高温高压流动工况下,空化状态判断困难、传统分析方法难以有效提取压力脉动信号中的有效信息的问题,以孔板为对象,开展了高温高压水的空化实验,并提出了一种基于遗传算法的自适应变分模态分解(AVMD)算法。该算法通过结合中心频率法、遗传算法、功率谱熵和相对能量等技术,自适应地确定变分模态分解算法中的超参数并有效去除信号中的噪声成分,提高了空化特征的提取精度。结果表明:AVMD算法能够精确捕捉到高温高压水流经孔板时空化现象的发生和发展,识别空化起始点、转捩点以及空化强度的变化;当高温高压水流经孔板后,压力脉动的无量纲频率在0.04~0.35、压力脉动的无量纲幅值在0.014~0.067时,空化现象开始出现;随着空化强度增加,管内压力脉动幅值和频率整体呈增大趋势;空化起始转捩点及空化严重转捩点与入口压力和工质入口过冷度密切相关。AVMD算法能够有效提高空化特性分析的精度,尤其是在复杂流动条件下的空化预测,为压水堆核电站冷却剂系统和高压蒸汽系统的稳定运行提供理论依据和参考。

面向CO_(2)捕集、驱油和封存技术的黏度预测模型

针对CO_(2)捕集、驱油和封存技术中混合流体的黏度随组分和工况变化剧烈、现有黏度模型无法准确描述其变化规律的问题,探究了目标混合物热力学参数与黏度性质间的内在联系,并提出了修正剩余熵理论黏度预测模型。首先以热物理性质差异显著的CO_(2)/中高碳烷烃非对称体系为研究载体,采用扰动链统计缔合流体理论状态方程获得密度、相平衡性质、熵等关键热力学参数,在此基础上构建了熵变量和黏度参考项,同时验证了目标混合物的无量纲黏度与流体剩余熵间存在明确的单值关系。研究结果表明:与扩展对比态和摩擦理论黏度模型相比,所提出的修正剩余熵黏度模型能够更准确地描述所涉及高度非对称系统黏度性质的变化规律,而对比的两个模型对高度非对称体系的预测能力有限;在摩擦理论引入额外修正系数的前提下,两种对比模型与实验数据的整体平均偏差分别为33.49%和12.71%,且随着烷烃碳原子数的增加和混合物各组分间非对称性的增强,其预测表现进一步恶化,而所提出的修正剩余熵黏度模型与实验数据间的整体平均偏差优于6.03%,且相对偏差分布未随工况变化出现系统误差,验证了所提模型的可靠性。该研究可为揭示CO_(2)驱替作用机理、开发驱油藏数值模拟技术提供基础热物性数据支撑。

氨燃气轮机回热循环热力学分析

为应对能源需求缺口和人类对美好环境的追求,氨燃料以其零碳、能量密度大、生产运输成本低等因素,被认为是未来最具潜力的燃料之一,但纯氨燃烧仍有整体循环效率不高的问题。结合氨燃气轮机排出烟气的最高温度以及氨燃气轮机循环中最低温度液氨相变温度,匹配了再热式朗肯循环作为底循环,提出一种氨燃气轮机回热循环系统。利用热力学第一定律和热力学第二定律对系统热力学性能进行分析和评价,开展了氨燃气轮机进口温度和压力对整体循环性能影响的研究。结果表明,在氨燃气轮机进口温度不超过1400℃、进口压力低于0.5 MPa时,联合循环对氨燃气轮机循环的效率最高提升了33.38%;联合热力循环的最高效率为60.13%;联合循环有良好的热力学性质和能量回收率;在燃气轮机进口压力不超过0.5 MPa时,回热循环效率随氨燃气轮机进口温度升高和压力提升而提高。本研究为提升氨燃料的高效利用和氨燃气轮机循环实际使用提出了新的探索角度,为氨燃气轮机系统的能源利用做出前瞻性探讨。

优势通道对多孔介质中多相反应输运过程影响的孔隙尺度研究

多孔介质中多相流-溶质输运-化学反应-固相演变的多场耦合反应输运过程对于许多科学和工程问题至关重要。建立孔隙尺度多相反应输运模型,研究了优势通道对多孔介质中多相反应输运过程的影响。结果表明,相比于单相反应输运过程形成沿优势通道扩展的虫洞,两相流的存在会改变传质路径,当非反应流体增多时,会封堵优势通道,抑制横向传质,导致虫洞溶解消失,固体溶解突破延后。此外,两相流的存在会使可供反应界面长度减小,平均反应物浓度在溶解突破后显著增大。

ODS MA754合金传热界面接触热阻实验研究

鉴于ODS MA754合金传热界面的接触热阻参数对全固态堆芯空间反应堆系统的热量导出具有重要影响,研发和设计了高温高压接触热阻实验装置,测量了不同温度(20~800℃)、压力(0~80 MPa)、气体氛围(He、CO_(2))以及试件表面粗糙度(1.6、3.2μm)下ODS MA754合金传热界面的接触热阻,并基于测试获得的宽量程数据点,建立了ODS MA754合金的接触热阻数据库。实验结果表明:随着接触面温度和压力的升高,界面接触热阻降低,且热阻降低的速率逐渐减小;相较于表面粗糙度为1.6μm的试件,粗糙度为3.2μm试件表面的界面接触热阻明显偏大,实验得到的定量关系可为工程样件的加工粗糙度要求提供依据;He气氛下的接触热阻远小于CO_(2)气氛,在0.1 MPa、100℃工况下,He气氛接触热阻约为CO_(2)气氛接触热阻的1/4。该研究结果可为空间反应堆的热工设计提供数据参考。

磁场诱导矩形通道内铁磁流体流动及强化传热

为深入研究外加磁场作用下矩形通道中铁磁流体的流动及换热性能,基于有限体积法对其进行数值仿真计算。分析铁磁流体在不同雷诺数Re、磁场强度B下对努塞尔数Nu及流体阻力系数f的影响,重点对比3种热边界条件下磁场诱导铁磁流体旋流流动的特点、强化传热效果及综合强化性能。结果表明:当外加磁场作用于铁磁流体时,由于磁场-流场-温度场的协同作用,3种热边界条件下,矩形通道内的铁磁流体均产生不同结构的旋流流动,明显强化其传热效果,且施加的磁场强度越大,强化传热效果越好,综合性能更优。在研究范围内,通过对3种热边界条件的比较,四面受热、上下两面受热和底面受热的综合强化因子最大值分别达到了1.372、2.277、2.299。

基于分子动力学的有机朗肯循环Cu/R123纳米有机工质能量研究

为探究有机朗肯循环(ORC)Cu/R123纳米有机工质的能量变化特性,采用分子动力学方法,对不同工况下的Cu/R123纳米有机工质能量进行模拟。研究结果表明:加入纳米颗粒可使有机工质微观结构发生改变。在微观状态下,范德华能随体积分数增大而减小,键合能随温度升高而增加,气相时范德华能增大,压力对体系影响很小。通过计算焓差发现,在相同蒸发温度下,采用纳米有机工质的ORC做功较大;纳米有机工质具有较高的导热系数,可提升ORC低品位热能回收效率。

CO_(2)液滴在粗糙固体壁面上的润湿特性

CO_(2)在粗糙固体壁面上的润湿行为对CO_(2)冷凝捕集技术具有重要意义。采用分子动力学方法探究微结构、势能及温度对CO_(2)液滴润湿的影响。结果表明:相较于平板壁面,微结构壁面提高了CO_(2)液滴的接触角;在微结构壁面上势能参数影响CO_(2)液滴的润湿状态,在栏栅结构壁面上CO_(2)液滴从Cassie-Baxter状态转向Wenzel状态,而在三角和斜坡结构壁面上CO_(2)液滴均保持Wenzel状态,3种壁面上CO_(2)液滴的接触角均随势能参数的增大而减小;此外随着体系温度升高,CO_(2)分子克服界面能垒由液相转向气相,使得液滴尺寸变小,液滴的接触角稍有减小。

虚拟-实训递进式综合性实验教学模式探索——以“能源生产过程控制”课程为例

以能源生产过程控制课程实验建设为例,成果导向理念为基础,构建“实训平台实践—虚实结合仿真平台实验—综合创新设计实验”递进式综合性实验教学模式。分别以水箱液位和水箱温度为控制对象,构建简单、串级及前馈-反馈系统,并引导学生直观感受各类控制系统的特点与工程整定方法。同时构建以成果为导向的持续改进质量监督评估体系。对比发现,采用新型教学模式后,学生参与率大幅度提高(50%~80%),同时学生知识掌握程度以及实验报告成绩也大幅度提升。通过虚拟-实训递进式综合性实验教学模式探索,重构专业培养方案实践环节,改进实验课程教学内容。

螺旋半圆管夹套式余热排出装置传热分析及设计程序开发

提出一种适用于小型反应堆的螺旋半圆管夹套式非能动余热排出装置,利用螺旋半圆管夹套具有的传热效率高、结构紧凑等优点,与反应堆主容器形成一体化的紧凑设计。基于此,对螺旋半圆管夹套的传热过程进行了分析,提出传热计算模型并基于此开发了热工设计程序,通过与公开文献中试验数据的对比分析,验证了程序的正确性,可以用于半圆管夹套式余热排出装置的工程设计。

天然气-中温太阳能互补的新型低碳分布式供能系统

基于化学链循环的天然气-太阳能互补转化具有低碳、储能及高效等特点。目前甲烷化学链循环典型还原温度为800℃。在450℃中温条件下,现有技术的甲烷转化率均较低,导致热化学蓄能效率和分布式能源系统能效较低。基于产物分离促进反应平衡移动原理,提出将甲烷重整制氢与化学链循环结合的蓄能方法,氢气被载氧体消耗使氢气分压降低,促进甲烷重整反应正向进行,进而提升甲烷转化率。对比了甲烷重整耦合化学链循环蓄能方法和传统甲烷直接与载氧体发生化学链反应蓄能方法的甲烷转化率。结果表明,450℃下通过多级循环实现甲烷近完全转化。基于甲烷重整耦合化学链循环蓄能方法,建立了多能互补分布式供能系统模型,太阳能甲烷热化学源头蓄能将低品位太阳能提升为高品位燃料化学能,实现了源头蓄能与脱碳。储存太阳能的固体燃料氧化产生高温热能,通过透平做功发电,然后通过余热回收装置实现吸收式制冷和供热,从而实现太阳能和化石燃料的高效互补利用。对系统在典型工况下的热力学性能进行分析,结果表明基于甲烷重整耦合化学链循环蓄能方法的分布式供能系统太阳能净发电效率达24.90%,系统燃料节省率达43.24%,在节能减排方面具有显著优势。

基于圆柱封装单元的水合盐相变储热填充床的储释特性实验研究

水合盐相变储热技术具有储热密度高、成本低等优势,在清洁供暖中具有广阔应用前景。本研究设计并搭建了以三水合乙酸钠作为储热材料,以圆柱形相变材料封装单元作为基础单元的填充床相变储热装置。通过实验研究填充床储热装置的运行特性,研究了流量和储热温度对装置的储释热用时、出口温度、热效率及储热密度的影响。实验结果表明:提高储热温度和增大流量可缩短储热用时、提升热效率和储热密度。储热装置的热效率可达94.73%,储能密度可达71.77 kW·h/m^(3)。

CO_(2)状态方程适应性对比研究

气体状态方程被广泛应用于计算CO_(2)的各项物性参数,但CO_(2)物性参数对温度和压力较敏感,不同状态方程计算的结果有偏差。针对目前常用的状态方程开展适应性研究,基于不同温度和压力条件下CO_(2)物性参数实验值对比分析了不同状态方程的计算结果。结果表明:1)GERG对CO_(2)密度及压缩因子具有较高的计算精度。计算CO_(2)密度时蒸汽区平均相对偏差小于0.5%,气相区小于1%;2)SW方程计算CO_(2)定压比热的平均相对偏差为0.29%,计算焦汤系数的平均相对偏差为0.87%;3)Fenghour法计算的黏度最大相对偏差不超过0.5%,平均相对偏差为0.34%,计算结果误差较小;4)V-W法对CO_(2)导热系数的计算结果与实验值较吻合,其平均相对偏差仅为1.24%。研究结果为油气田开发过程中涉及的CO_(2)物性参数计算提供了一定的参考依据。

相变材料和液冷结合的锂离子电池热管理性能优化

相变材料因其良好的控温能力在电池热管理中得到了广泛的研究,但在高温环境和高放电倍率下,单纯依靠相变材料很难满足热管理的要求。设计了相变材料和冷却板混合的电池热管理方式并对其进行数值模拟,与采用纯相变冷却进行了对比。分析了电池间距、冷却液入口速度对电池最高温度以及相变材料液化率的影响,并对充放电循环过程进行了探究。结果表明,在高温和高放电工况下,液冷的引入解决了因相变材料完全液化导致的电池温度恶化和中间电池热量累积的问题。相比于纯相变冷却,当冷却液速度为0.5 m/s时,混合冷却可将电池的间距减小至3 mm,继续增大冷却液的速度对热管理性能提升较小。同时,液冷板的加入可以减少首次充放电循环对后续循环过程的影响,增加电池的使用寿命。

基于多场协同的PEMFC双梯形渐缩流道结构性能分析和评价

流道结构的优化设计是提高质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)综合性能的有效路径。该文针对PEMFC的流道结构,提出一种新的双梯形渐缩流道,构建并验证其三维数值仿真模型;基于场协同理论提出PEMFC中的多场协同性能分析评价方法。通过对比平行梯形流道和渐缩梯形流道,发现渐缩流道电池的输出功率、氢气利用率以及膜排水能力均得到有效提升,同时可降低最大温度梯度。基于提出的多物理场协同性评价指标,发现渐缩流道PEMFC与平行梯形流道PEMFC相比,在阴极/阳极流道内浓度场、温度场与速度场的协同性能均提高,在两催化层内传热传质与传递电动势协同性能平均提高约10.4%,膜内的水分浓度场、温度场与速度场的协同性提高25.3%。结果可为改善PEMFC的性能提供一定理论基础。

基于空气分级燃烧钢包烘烤器加热过程的数值研究

空气分级燃烧技术已被广泛证实能够有效提升各类燃烧器的加热性能,同时降低NO_(x)的排放。为研究空气分级燃烧技术在钢包烘烤器中的应用效果,设计了一种用于钢包烘烤的空气分级燃烧器,采用CFD软件进行了模拟仿真,得到了该燃烧器的钢包烘烤效果;同时通过对比分析未分级的钢包烘烤器和具有空气分级结构的钢包烘烤器在相同烘烤条件下,钢包内的各处温度分布、速度分布,烘烤质量及NO_(x)生成等,证明了空气分级技术能够使钢包烘烤器内燃料充分燃烧、提高钢包加热温度和均匀性、从而缩短烘烤时间;由于钢包内温度分布均匀,无局部高温,所以相较于不分级的燃烧器,空气分级的钢包烘烤器具有更低的NO_(x)排放。空气分级结构的钢包烘烤器的提出为新型钢包烘烤器的设计提供了新的研究思路,对于实际生产应用具有重大意义。

电场作用下气泡上升和破碎特性

利用数值模拟方法研究均匀垂直电场下单个气泡在液体中的上升和破碎特性。采用相场方法捕捉气泡形状变化,考察电场强度对气泡上升速度、液体射流速度和破碎时间的影响。结果表明:电场对气泡运动有显著影响,电场强度越大,气泡上升速度和液体射流速度越大。考察电场作用下气泡初始形状对上升和破碎特性的影响。结果表明:在电邦德数Bo_(e)为0—20内,初始水平轴与竖直轴比为1.3和1.0的椭球形气泡,电场强度的增大缩短了其破碎时间,而初始水平轴与竖直轴比为0.8的椭球形气泡,破碎时间随电场强度增大而变长。

摇摆运动下低流率蒸汽冷凝换热特性和气泡受力数值模拟

蒸汽直接接触冷凝具有高效的传热传质性能,广泛应用于核能安全等领域。低质量流率蒸汽直接接触冷凝具有低频压力振荡,易引发设备共振。相比陆地稳定工况,海洋条件下摇摆运动可能加剧气液界面振荡,进一步影响设备的安全运行。为此,通过数值模拟对摇摆条件下低流率蒸汽凝结过程进行研究,分析了摇摆条件下压力、换热特性和气泡受力的变化规律,结果表明压力和传热系数剧烈波动主要集中于气泡颈缩和脱离阶段,此时气泡受力也达到最大值,气泡主要受惯性力和凝结力作用。此外,对比静止工况和摇摆工况,发现摇摆条件下由气泡速度变化导致的惯性力部分增大,摇摆运动带来的附加摇摆速度强化了气液界面的换热性能,平均传热系数远高于静止工况。

CPA方程计算醇、水的比热容性质

针对立方型附加缔合项(CPA)状态方程(EoS)对比热容的计算精度不高的问题,采用11种包含不同性质的参数计算方法研究了CPA方程对极性缔合流体甲醇、乙醇、水比热容的计算精度。计算结果表明:不考虑比热容时,CPA方程的参数计算必须考虑蒸汽压性质,且蒸汽压计算精度越高,方程对液相比热容的预测精度越高;在参数计算中加入比热容后,CPA方程无法同时准确描述所有比热容性质,其中对液相比定压热容的计算精度最高;在参数计算过程中比热容性质只考虑液相比定压热容时,方程对蒸汽压、各相密度及液相比定压热容的平均绝对相对偏差都在3%及以内。