先进抽水压缩空气复合储能技术

储能技术的创新突破成为带动全球能源格局革命性、颠覆性调整的必经之路,是实现“碳中和、碳达峰”目标的重要举措。为此,西安交通大学“先进物理储能技术”研究团队创新性地发明了新型抽水压缩空气复合储能技术。该技术采用空气和水作为混合工作介质,利用水力机械设备和空气透平作为系统的复合做功设备,实现储能介质高效等温压缩/膨胀。相比于传统压缩空气储能技术,新型气液复合空气储能技术具有响应快、效率高、投资成本低等优点。团队通过10余年的攻关研究,完成了关键设备与储能系统的性能表征、时域特性研究、流体机械关键共性技术集中攻关、空气储能技术全寿命周期性能评估软件的研发及应用,研究成果可为气液复合压缩空气储能技术的规模化推广应用提供坚实的理论与数据支撑。

仿生圆弧微槽对离心叶轮气动性能影响的数值研究

为提升离心叶轮的气动性能及降低流动损失,以鲨鱼表皮微沟槽为仿生原型,结合数控加工工艺开展了仿生圆弧微槽对离心叶轮气动性能影响的数值研究。针对叶片压力面和吸力面,首先在50%叶高处分别布置不同尺寸的仿生圆弧微槽,探求能使离心叶轮性能得到提升的最佳微槽尺寸;然后,分别按一定叶高间隔布置最佳尺寸的仿生圆弧微槽,研究微槽数量对离心叶轮流场和性能的影响;最后,按不同叶高间隔同时布置不同数量的仿生圆弧微槽,进一步探究其对气动性能的影响规律。数值结果表明:相对宽度为2%、深度为5%的微槽是提升离心叶轮性能的最佳微槽尺寸;在压力面和吸力面分别以7%、6%叶高间隔布置13、16条微槽,能够显著改善叶轮出口截面的流场分布,从而降低流动损失;在压力面和吸力面同时布置最佳尺寸及数量的微槽,能够进一步提升离心叶轮的气动性能,设计工况下等熵效率提升了0.63%,压比提升了0.40%。研究工作可为离心叶轮的设计优化及数控加工提供参考。

利用长短期记忆神经网络的改进POD-Galerkin降阶模型及其在流场预测中的应用

针对标准POD-Galerkin降阶模型在流场快速预测中存在误差而导致精度不高的问题,提出了一种利用长短期记忆神经网络的改进POD-Galerkin降阶模型。使用本征正交分解对流场进行降维,投影得到低维降阶模型,引入两个长短期记忆神经网络,建立从POD-Galerkin降阶模型到实际POD模态时间系数之间的修正映射、低阶模态时间系数与高阶模态时间系数之间的扩展映射,分别用于消除标准POD-Galerkin降阶模型的误差累积和扩展降阶模型的阶数,从而实现物理驱动与数据驱动混合的流动降阶模型的构建。将改进POD-Galerkin降阶模型应用于二维圆柱绕流的流场预测,通过与原始标准POD-Galerkin降阶模型的对比,分析了所提模型的精度和计算速度。结果表明:添加神经网络修正项后的降阶模型相较于标准POD-Galerkin降阶模型,有效提升了降阶模型的精度,预测各阶模态时间系数的均方根误差能够减小1~2个数量级,预测的流场更接近原始流场;在预测相同阶数的情况下,计算时间显著减小,基于4阶和6阶扩展的8阶改进降阶模型相较于原始8阶POD-Galerkin降阶模型预测速度分别提高了约56%和25%。

中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统热力学性能分析

针对地热能发电技术效率低、稳定性差的问题,提出一种兼具同轴套管取热技术和压缩空气储能技术特点的中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统,通过建立系统的热力学模型,研究了典型工况下系统关键参数和热力学性能的演化规律,揭示了不同运行特征下地热恢复与提取的动态机制。研究结果表明:储能发电系统的运行分为非稳定循环和稳定循环阶段,在非稳定循环阶段中,热提取量和膨胀机输出功随循环次数的增加而增加,而热补偿量和系统效率呈相反趋势变化;当热提取量、热补偿量和地热消耗量达到平衡时,储能发电系统从第8次循环进入稳定循环阶段,稳定循环中各参数不随循环次数改变,单次循环输出电量为47 956.7 kW·h,系统效率达到63.5%;通过提升压缩机压比和补热水流量可以提升地热恢复温度:当压缩机压比由6提升至7时,深度为1 300 m、半径为0.116 m处,岩土温度多提升4.3℃,当补热水流量由4.5 m^(3)/h提升至6 m^(3)/h,同一处岩土温度多提升6.4℃,该研究为提高地热能发电效率和稳定性提供了新方案。

液体火箭发动机涡轮泵管式扩压器时序效应数值研究

为分析管式扩压器的时序效应对高速涡轮泵性能以及压力脉动的影响并阐明其影响机制,对某液体火箭发动机高速涡轮泵全流域进行三维定常和非定常数值计算,研究了管式扩压器时序效应对涡轮泵外特性的影响规律,采用熵产理论对涡轮泵内部的能量损失进行分析,并通过压力脉动均方根方法对涡轮泵内的压力脉动进行评估。结果表明:随着管式扩压器叶片与蜗壳隔舌夹角的增大,涡轮泵效率和扬程整体趋势均为先升高后降低,两者的变化幅度分别为0.75%、1.68%,当管式扩压器叶片吸力面出口边与蜗壳隔舌的夹角为20.5°、25.5°时,涡轮泵具有较好的性能,其影响机制由蜗壳隔舌下方的扩压管出口附近涡流和能量损失变化决定。动静干涉效应是涡轮泵内压力脉动的主要原因,时序效应对涡轮泵出口和蜗壳隔舌附近压力脉动的变化幅度分别为37.7%、67.6%。蜗壳流道内压力脉动的最大值位于蜗壳隔舌下方扩压管出口区域,时序效应对压力脉动最大值的变化幅度为20.5%。研究结果可为液体火箭发动机涡轮泵性能和振动的优化提供一定的参考。

考虑表面粗糙度影响的低温涡轮泵特性与动静间隙流动分析

为分析低温涡轮泵过流部件表面粗糙度对其性能特性的影响,阐明表面粗糙度对涡轮泵动静间隙流场的影响机制,选择增材制造闭式叶轮涡轮氧泵为研究对象,在考虑低温介质热力学效应影响的前提下,采用液氮作为增压输送介质,对涡轮泵低温性能开展实验测试和数值计算。研究结果表明:在13 500~26 000 r/min转速范围内,相较于光滑壁面,考虑过流部件表面粗糙度后,采用液氮作为模拟介质得到的涡轮氧泵数值计算结果与实验测试数据吻合较好;随着离心叶轮及蜗壳等主流表面粗糙度从光滑壁面增加至36μm,涡轮氧泵扬程及效率分别下降了9.1%、10.6%;随着动静间隙过流部件表面粗糙度从0增加至20μm,涡轮泵叶轮轴向力合力系数显著降低了25.8%。研究结果对后续深入揭示表面粗糙度对低温涡轮泵动静间隙流场特性影响规律以及过流部件表面质量分区控制具有重要借鉴意义及参考价值。

压缩空气与热化学复合储能系统反应器动态性能研究

针对压缩空气与热化学复合储能系统中,由于压缩机的波动运行而导致的反应器不稳定运行问题,通过建立热化学反应过程完备的数理模型,探究了不同工况参数对反应器内工质传热特性和甲醇裂解性能的影响规律,进而建立了反应器的运行调控策略,以实现其内部热能到化学能的高效稳定转化。研究结果表明:在反应器的变工况运行过程中,反应器内反应物和空气温度在气体流动方向分别呈现升高和降低的趋势;甲醇裂解率随空气流量和反应器空气侧入口温度的增加而增加,随甲醇流量的升高而逐渐降低,反应器空气侧入口温度的扰动对甲醇裂解率的影响程度最大,而反应器内甲醇裂解率对甲醇流量扰动的响应速度最快;通过建立前馈加反馈调控策略,分别控制进入反应器和压缩机的工质流量,在压缩机85%~110%的输入功率范围内,反应器可在1000 s内实现95%的甲醇裂解率,证明了所提出调控策略的快速响应性和有效性。

高效稳定双罐式液体活塞近等温膨胀过程热力性能研究

为确保双罐式液体活塞膨胀过程的连续稳定运行,提出了一种创新的液体活塞近等温膨胀运行方式。该运行方式下,膨胀阶段完成后液体活塞进入膨胀后的吸气阶段,实现罐体水位的下降,从而保证了循环稳定性。通过建立相关的热力学模型,探究了高压空气在近等温膨胀过程中的热力性能变化特性,并揭示了不同运行特征下液体活塞近等温膨胀的释能规律。研究结果显示:该运行方式使系统在第二次循环后进入稳定循环阶段;系统呈现出较好的等温性能,当膨胀比为5时,循环过程中空气最低温度达到282.3 K;空气与液滴换热占比随喷嘴数量的变化较为显著,喷嘴数量由2增加至18时,空气与液滴换热占比由20.2%增加至72.8%;在单个循环周期时长为4 800 s时,液体活塞膨胀释能效率和液体活塞膨胀释能量提升率都达到最大值,分别为84.6%和18.1%;液体活塞运行条件不同情况下,最佳喷淋时刻的无量纲压力存在差异。该研究为提高双罐式液体活塞近等温膨胀过程的稳定性提供了新的方案。

进口导叶对斜流式叶轮级性能调节的数值研究

针对两种不同翼型的进口导叶,数值研究了导叶在不同开度下对超大流量系数斜流级内部气体流动的影响和调节特性,并预测了进口导叶与斜流叶轮耦合在不同导叶开度下的性能曲线。结果表明,进口导叶能有效扩大调节范围,使斜流压缩机能在更宽的工况范围内运行。导叶开度和翼型对斜流叶轮的气动性能产生影响,开度增大导致气体流动的不均匀性变大,而当开度增大到一定程度时,进口导叶的调节能力变差,对斜流叶轮气动性能产生负面影响。

叶片扩压器进口安装角对离心压缩机性能影响的数值与实验研究

对不同扩压器进口安装角下离心压缩机的性能进行了实验研究,并详细计算分析了相应的流场分布。分析表明, 不同的进口安装角对压缩机的流动有较大的影响,压缩机的性能曲线也有不同程度的左右偏移;进口处较大的正冲角和负冲角均会在扩压器叶片表面出现大尺度的分离涡团;在给定的流量工况下,应存在一个最佳的进口安装角,使得扩压器效率最高;设计工况下,最高效率所对应的冲角并非为零。

不同控制器对基础移动的电磁轴承-转子系统的减振效果

为探究线性自抗扰控制器(LADRC)、H∞控制器和分散PID控制器对基础移动的电磁轴承-转子系统的减振效果,建立了基础移动工况下的电磁轴承-转子系统动力学模型,模拟了飞机俯冲-拉升和水平转弯2种工况并计算了3种控制下的转子振动响应及控制电流。结果表明:H∞控制器对基础移动干扰的抑制性能最好,LADRC次之,分散PID控制器最弱;当飞行速度与最大滚翻角增大时,3种控制下的转子最大位移及最大控制电流均会增大,LADRC和H∞控制下的最大控制电流相差不多且均小于PID控制;LADRC和H∞控制下的转子最大位移也比PID控制更小。

叶轮机械气动优化设计中的近似模型方法及其应用

针对在工程中完全采用随机类优化方法寻优时计算量过大的问题,应用统计学的方法发展了计算量小、在一定程度上可以保证设计准确性的近似模型方法.在气动优化设计过程中,用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析,可以加速设计过程,降低设计成本.基于统计学理论提出的近似模型方法有效地平衡了基于计算流体动力学分析的叶轮机械气动优化设计中计算成本和计算精度这一对矛盾,在离心压气机叶片扩压器、叶轮和混流泵叶轮设计等问题中得到了成功应用,展示了广阔的工程应用前景.目前,已经建立了离心压气机部件及水泵叶轮的优化设计系统,并在工程设计中发挥了重要作用.

离心压缩机级内静叶时序效应的数值研究

本文采用三维粘性非定常数值模拟的方法研究了离心压缩机级内静叶的clocking(时序)效应,研究结果表明,当两级静叶相对周向位置改变时最大效率变化为0.175%。另外,通过对非定常计算叶根、叶中和叶尖处流场图的分析,发现非定常环境下上游周期性尾迹对下游叶片边界层、尾迹以及叶尖泄漏流的相互作用。

进口导叶与叶片扩压器匹配的实验研究

对扩压器进口不同安装角和进口导叶不同预旋角匹配下离心压缩机的性能进行了实验研究.研究表明:扩压器进口安装角最小值为7°时,压缩机性能对进口导叶预旋角不敏感;采用不同的扩压器进口安装角和不同进口导叶预旋角匹配调节时,压缩机所能达到的最高效率为86.0%,比单独调节进口导叶预旋角或扩压器进口安装角所能达到的效率高2%.效率提高的潜能可通过自由选择匹配的方式来加以实现.

叶轮机械气动优化设计中的近似模型方法及其应用

针对在工程中完全采用随机类优化方法寻优时计算量过大的问题，应用统计学的方法发展了计算量小、在一定程度上可以保证设计准确性的近似模型方法．在气动优化设计过程中，用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析，可以加速设计过程，降低设计成本．基于统计学理论提出的近似模型方法有效地平衡了基于计算流体动力学分析的叶轮机械气动优化设计中计算成本和计算精度这一对矛盾，

基于三维粘性流动分析的离心压缩机叶轮设计方法

本文尝试了一种以三维粘性分析为参考准则设计离心压缩机三元叶轮的实用方法.以角动量为控制手段对Krain实验叶轮进行了变型设计,并对Krain原始叶轮与新设计叶轮进行了三维粘性流场计算,对典型通流截面的子午速度与转子焓分布做了分析,并对三种叶轮的总体性能进行了比较。结果表明,角动量的不同分布对所设计叶轮的压比和效率有明显的影响。

轴流压缩机叶栅内固体微粒沉积的数值研究

本文针对轴流压缩机叶栅内固体微粒沉积的问题,采用计算流体动力学(CFD)软件对压缩机叶栅内的气固两相流动进行了模拟。文中首先采用不同的湍流模型和不同的壁面处理方法计算了垂直圆管内固体微粒的沉积,并与实验数据进行了对比。在此基础上,研究了轴流压缩机叶栅内不同直径粒子在叶片压力面和吸力面的沉积规律;且研究了不同工况对粒子沉积的影响。

离心式动/静相干叶排内部非定常流动的数值计算

首先采用作者发展的滑移界面技术及非定常流数值方法计算了两同心圆柱间库特 (Cou ette)流动 ,在此基础上对叶轮及扩压器叶片数不等的二维离心式动、静相干叶排内部的非定常流动进行了数值模拟 ,详细分析了不同流量工况下动、静叶排内的非定常流动特性 .数值分析表明 ,在一定的转速下 ,非等栅距离心式动、静相干叶排内部的非定常流动结构与流量工况密切相关 ,当流量较小或者较大时 ,在叶片扩压器内都会产生大尺度的分离涡 ,而在叶轮内的涡尺寸较小或不出现 .研究结果可为优化叶轮与叶片扩压器的匹配提供有益参考 .

混流泵三元叶片优化设计方法研究

以叶片角的分布为优化变量,叶轮效率为优化目标,将三维粘性流动分析与神经网络相结合对混流泵叶片进行了优化设计。在设计空间内根据实验设计理论安排神经网络的训练样本,选择径向基函数网络建立设计变量和目标函数间复杂的响应关系,利用遗传算法进行优化。针对研究对象设计变量较多、变化范围较大的问题,提出子系统优化的初步思想,即:将优化变量进行分类,对每类变量建立子系统,分别在子系统内进行局部优化,然后再考虑子系统之间的相互影响进行全局优化。对一混流泵的三元扭曲叶片进行优化,叶轮效率明显提高,从而验证了该方法的简便性与有效性。

离心压缩机级内三维粘性流动数值分析

本文介绍了用时间推进法进行离心压缩机级内全三维粘性流场的计算方法．该方法是作者在已完成的求解孤立叶排Ｎ－Ｓ方程的计算程序的基础上发展的，通过使用周向非均匀的叶排间隙混合平面概念来考虑离心叶轮与扩压器之间的相互影响，并依据质量守恒原则，对下游的进口气流角进行了修正，以保证了上下游叶排在相容的流动特性下工作．完成了离心压缩机级（包括叶轮与扩压器）三维粘性定常流场的计算及性能预测．应用本文所发展的程序，对某高炉鼓风机的叶轮及其叶片扩压器进行了计算．