完全氧化DZ125的双向反射特性实验研究

作为燃气轮机的核心部件,涡轮叶片长期在上千度的高温下工作,为了保证叶片安全可靠地运行,需要对其温度进行实时的监测。辐射测温是目前涡轮叶片非接触式测温的主流方法,其测温精度与叶片材料反射特性关系密切,如何预测不同方向反射能量的大小,减小反射辐射对测温结果的影响是目前研究的难点。为了预测叶片反射能量大小,提高辐射测温的准确性,对涡轮叶片常见材料——完全氧化DZ125的双向反射分布函数(BRDF)进行研究。采用对比法作为实验测量的方法,先分析了BRDF对比法测量原理及数据处理方法,之后自主搭建了试验台,在温度分别为25,900和1100℃,波长分别为1060,1550和1908 nm的条件下,控制入射天顶角及反射天顶角在0°~60°范围变化,方位角在0°~180°范围变化,测量计算出了多组BRDF值,分析了各种因素对完全氧化DZ125的BRDF的影响。最后采用Modified Phong模型对BRDF测量值进行了拟合,并与实验测量结果进行了对比,得到了较好的结果。研究结果表明,温度、波长对完全氧化DZ125的BRDF影响较小,在涡轮叶片工作的温度范围变化不大,辐射波长变化不大时,可忽略二者对BRDF的影响。而入射天顶角、反射天顶角与方位角对BRDF的影响很大,入射天顶角与反射天顶角大小越相近,方位角越接近180°,测量探头所处位置与镜面反射方向就越接近,试样的镜面反射特性就越显著,BRDF就越大;反之,当探头远离镜面反射方向,漫反射占据主导,BRDF将呈现快速的衰减。实验结果显示完全氧化DZ125具有很强的镜面反射特性。Modified Phong模型拟合得到的结果,能够较好地反映出完全氧化DZ125的双向反射特性。这一模型简单可靠,适用于后期采用蒙特卡罗方法进行数值模拟研究,以预测完全氧化DZ125材料的反射能量分布,为后续开展涡轮叶片辐射测温的研究提供理论基础。

超临界压力下航空煤油圆管流动和传热的数值研究

对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在小管道内的流动、传热过程进行了数值研究。湍流模拟采用了RNG k-ε两方程模型和Wolfstein一方程模型结合的两层模型;同时,采用煤油的10组分替代模型以及NIST Super-trapp程序库对大庆3号航空煤油的热物理和输运特性进行了确定。圆管传热的计算条件为:入口压力4 MPa,入口温度300 K,质量流量范围:0.06～0.12 kg/s,壁面热流密度范围:300～700 kW/m2。计算结果显示,煤油的流动和传热特性比水、二氧化碳等简单化合物复杂得多。在超临界压力下,煤油的吸热升温导致其热物理特性以及流动特性均发生剧烈变化,其中,雷诺数沿管道方向上升了至少一个量级,而普朗特数下降了一个量级。在加热开始段,煤油的对流传热系数迅速上升;当壁面温度超过其拟临界温度后,对流传热系数略有所回落;随着煤油温度的进一步上升,传热系数又得到明显增强。计算表明,煤油对流换热特性的变化与煤油复杂的高温热物理特性以及湍流流动在近壁区的增强和抑止有关。

基于柔性热管的笔记本电脑散热过程数值模拟研究

可折叠笔记本电脑,采用柔性热管将CPU热量传导至显示屏背板,通过自然对流将热量带走,实现笔记本电脑CPU的温度控制。针对这一结构,采用Fluent软件建立笔记本电脑热管散热结构对应的物理模型,在自然对流条件下,改变柔性热管的弯折角度,研究不同弯折角度对散热性能的影响,分析不同条件下的温度变化曲线。设计显示屏背板作为模型主要散热结构。结果表明,在柔性热管恒定导热系数和随角度变化导热系数条件下,模型散热能力均随热管弯折角度减小而增大,同时,考虑了增加辐射后对模型散热能力的影响大小,考虑辐射后,总体散热趋势无较大变化。

北京谱仪Ⅲ内冷却液用聚氨酯管的耐辐射性能研究

北京谱仪(BESⅢ)工作环境内存在以γ和中子为主的辐射,聚氨酯管作为BESⅢ束流管及加速器SCQ(超导四极铁)真空盒的冷却液导管,在BESⅢ工作环境下的耐辐射老化性能至关重要。本工作模拟聚氨酯管在BESⅢ环境内使用10 a所接受的剂量,对聚酯型聚氨酯管和聚醚型聚氨酯管进行γ辐射和中子辐射。采用耐压测试、傅里叶红外光谱分析和热分析方法,研究辐射前后两种聚氨酯管的性能。对比结果表明,聚酯型聚氨酯管的耐辐射性能以及热稳定性好于聚醚型聚氨酯管,在接受γ辐射和中子辐射后,聚酯型聚氨酯管正常耐压强度基本未变,但聚醚型聚氨酯管在接受中子辐射后产生老化断裂。

北京谱仪Ⅲ束流铍管环形窄通道冷却优化设计

北京谱仪Ⅲ(BESⅢ)要求束流铍管部分物质量尽可能少,同时要求将束流铍管内部产生的热负荷通过冷却介质带走,精确控制外壁温度。本文结合理论分析和有限元数值模拟对束流铍管的冷却环形窄通道尺寸进行优化设计,确定了窄通道最佳间隙,研究了集中热负荷对内外壁温度场的影响,并确定了冷却液最佳工作流速。根据设计结构,制作出束流铍管实际尺寸实验模型。实验测量结果表明,束流铍管冷却结构设计合理,最佳流速满足冷却要求。

BESIII束流管冷却系统设计与实现

根据BESIII束流管的结构特点、工作环境以及温度控制要求,设计了束流管冷却系统。系统关键部件冗余设计,并采用西门子可编程控制器,实现了系统的自动可靠运行,保证了束流管的连续长期工作。上位机监控软件通过OPC和可编程控制器进行数据传输,解决了复杂多主站通讯问题,并辅助可编程控制器进行控制。该系统结构合理,功能完善,控制精度高,能及时将束流管内部热量带走,严格控制束流管的内外壁温度。

辐照对BESⅢ束流管支撑法兰材料断纹剪切性能影响的研究

BESⅢ中束流管(BMP)支撑法兰的备选材料G10玻璃布/环氧层压板经104Gy的γ辐照和4.068×1018m-2的中子辐照后,对其断纹剪切性能的变化进行了研究,并利用扫描电镜(SEM)对断口形貌进行分析。结果表明,经γ辐照和中子辐照后,G10玻璃布/环氧层压板的断纹剪切强度有所降低,但仍能满足BEPCⅡ的工程应用要求。

粉末冶金态铍在北京谱仪束流管中的应用

根据北京谱仪(BESⅢ)束流管对材料物理性能的要求,对几种材料的物理性能进行比较后,选择粉末冶金态铍作为BESⅢ束流管的中心管材料。采用失重法对粉末冶金态铍在1号电火花加工油中的耐腐蚀性能进行研究,结果表明:粉末冶金态铍在1号电火花加工油中具有较好的耐蚀性,其腐蚀速率由初始的4.18×10-7kg.m-2.h-1逐渐变小,并稳定为1.54×10-7kg.m-2.h-1;在束流管10 a的设计寿命内,粉末冶金态铍的最大腐蚀深度估算值为19.9μm,该值是BESⅢ束流管中心管最小厚度600μm的3.32%,满足BESⅢ的工程运行要求。

基于SEM图像的BESⅢ束流管支撑法兰材料辐照拉伸性能研究

根据BESⅢ中束流管支撑法兰材料的工程运用,对G10环氧/层压玻璃布板的辐照拉伸性能进行研究。受辐照环境限制,将试验件尺寸在长度方向缩小为标准件尺寸的27.2%,发现缩小尺寸试验件的拉伸强度约为标准尺寸试验件的49.4%;经104Gy的γ辐照和4.068×1018m-2的中子辐照后,缩小尺寸试验件的拉伸强度下降2.35%。由此推断,同等辐照条件下,G10板标准尺寸试验件拉伸强度将下降至约317.10MPa,能够满足BESⅢ对束流管支撑法兰材料提出的113MPa的要求。利用扫描电镜对G10板辐照前后的拉伸断口进行微观观察。

BESⅢ束流管应力场的有限元分析与实验研究

束流管位于北京谱仪Ⅲ(BESⅢ)中心位置,是最小壁厚为0.6mm的真空薄壁夹层圆管。新一代北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)在运行时将会有更多的高次模辐射(HOM)和同步辐射(SR)热负荷作用于束流管的内表面,使束流管内产生辐射热应力。本文从数值模拟和实验两方面对BESⅢ束流管应力场进行研究,结果表明,束流管在一端完全固支一端轴向自由的约束条件下,当内部辐射热负荷达到最大值750W时,束流管各零部件——铍管、铝放大腔、过渡银环、铜管、不锈钢法兰的最大应力分别为21.9、6.9、5.0、9.1、24.4 MPa,束流管整体安全系数为11.0。目前束流管正在安全运行,保证了BEPCⅡ的正常工作和BESⅢ的精确粒子探测。

BES Ⅲ束流管温度场的数值模拟及实验研究

束流管安装在北京谱仪（BESⅢ）子探测器漂移室的内筒,新一代北京正负电子对撞机（BEPCⅡ）在运行时将会有更多的同步辐射和高次模辐射热负荷作用于束流管的内表面,过高的热量和过大的温度变化幅度将会影响漂移室的正常粒子的探测。本文对束流管温度场进行了有限元数值模拟和实验研究,并对漂移室内筒的内壁面温度进行了数值分析。结果表明,当束流管内壁辐射热负荷在0~750 W变化时,设定束流管的中心管冷却油和外延管冷却水的进口温度分别为291.4K和291.6K,可将漂移室内筒的内壁温度控制在292.8~293.9K,满足（293±2）K的要求,保证了BESⅢ的精确粒子探测和BEPCⅡ的正常运行。

基于PLC的BESⅢ束流管冷却系统自动监控系统的设计

北京正负电子对撞机BEPCⅡ的二期改造工程为中国科学院重大项目改造工程,BESⅢ束流管冷却系统对BESⅢ束流管进行冷却,其中BESⅢ束流管冷却系统的自动监控系统负责BESⅢ束流管冷却系统的全面安全可靠运行。从工程设计的角度出发,介绍了自动监控系统的主要结构、工作原理、监控系统硬件选型及软件设计,并对系统的可靠性进行分析。运行结果表明,该监控系统满足BESⅢ束流管冷却系统的工艺要求,安全可靠。

氮化硅反应炉内弥散相介质温度分布研究

基于商用CFD计算软件模拟了氮化硅反应炉内的温度场。分析了壁面热流对温度场和产物质量浓度的影响,研究了光学厚度和散射模型对温度场的影响。计算结果表明,壁面热流决定着产物的质量浓度;光学厚度越大,辐射所起的作用越明显;散射模型不同时,对径向温度分布影响较明显,而对轴向温度分布而言,相差很小。

局部强内热源移动球床温度分布特性

球形颗粒的运动速度与局部强内热源移动球床通道内温度分布有着必然联系。通过理论推导分别得到了含有强内热源移动球床中球形颗粒运动速度与加热区出口和通道出口平均温度之间的关联式。运用数值方法获得了含有局部强内热源移动球床三维模型的温度分布,通道出口温度的数值结果与理论关联式计算结果吻合良好,两者相对误差小于8%。在此基础上,进一步对比分析了3种不同运动速度下的内热源加热区出口温度、球床通道中心温度和出口温度的分布特点。通道中心温度沿颗粒运动方向先升高后降低,最高温度出现在加热区出口处。随着颗粒运动速度增大,内热源加热区出口温度、通道出口温度和通道中心温度逐渐降低且径向温度梯度也随之减小。

红外测温探头防护性能数值模拟研究

本文针对高温叶栅试验台的红外测温需求,设计了测温探头的防护结构,在尽量不干扰主流的前提下实现对测温探头的热防护与污染防护。通过CFD计算,分析了该结构设计的合理性。对冷却空气入口总压的影响进行分析,发现入口总压过小,会造成探头的高温烧蚀,总压过大,则会对主流产生较大干扰。最后对冷却水入口流速进行分析,结果表明,探头的冷却效果随流速增大而增强,当流速大于2 m/s时,冷却效果基本不随流速变化而变化。

超临界压力下航空煤油水平管内对流换热特性数值研究

采用RNG(renormalization group)k-ε湍流模型和近壁区的Wolfstein一方程模型对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在水平圆管内的流动和换热特性进行了数值研究.超临界压力下,由于航空煤油在拟临界点附近热物性的剧烈变化,浮升力将引起显著的二次流动.二次流动使得水平圆管的下表面湍流强度和对流换热增强,而上表面的湍流强度和对流换热减弱.最后分析了两种水平管内对流换热受浮升力影响判别标准在超临界流体中的适用性.

湍流作用下水力空化气泡内温度演变的动力学分析

以水为工作介质,在综合考虑液体可压缩性、液体表面张力、液体黏性、气泡内外热交换及气泡内部存在水蒸气的情况下,采用动力学方法对湍流压力场驱动下水力空化气泡内的温度演变及影响因素进行了研究.分析了液体中空化热效应产生的原因及空化泡平衡半径、孔板水力空化反应器运行与结构参数等对空化泡溃灭温度的影响规律,拟合得到了各影响参数与空化泡溃灭温度之间的显著函数关系式.研究结果可为水力空化反应器的优化设计及水力空化技术的发展和应用提供理论指导与技术支撑.

湍流作用下可压缩液体中空化泡的动力学特性

以水为工作介质,在综合考虑了液体黏性、表面张力、液体压缩性以及湍流作用等因素的情况下,对孔板水力空化反应器中空化泡动力学行为特性进行了详细数值研究.详细分析了湍流作用、空化泡初始半径、孔板下游恢复压力、管道直径以及孔板直径与管道直径之比对空化泡运动特性及其所形成的压力脉冲的影响规律,发现了一些新现象,如空化泡半径二次生长现象.研究结果可为水力空化反应器的优化设计以及水力空化技术的实际应用提供一定的理论指导与技术支撑。

水力空化防除垢实验研究

针对换热设备积垢与能源浪费问题,建立了水力空化防除垢实验测试平台,并以加热器和铜片试件为结垢表面进行了实验研究。采用显微放大摄影系统详细观测了水力空化防除垢现象与效果,系统研究了液体流量对防垢效果及积垢沉积的影响规律。研究结果表明:水力空化作用能使溶液中的成垢物质细化、破碎,减小垢层与试件表面的附着力并且将已有垢层粉碎、破坏;存在最佳的溶液流量使试件表面的防垢率达到最大,而积垢脱除速率随着流量的增大而降低。

异丙醇-丙酮-氢气化学热泵放热反应器内丙酮催化加氢:颗粒内热质传递的影响

颗粒内传热传质对IAH-CHP固定床放热反应器性能具有重要影响.本文建立了管径和催化剂颗粒直径之比n=4的圆柱形放热反应器120°的三维局部模型,使用Fluent商业软件对模型内流场、组分和温度分布进行了模拟研究.重点研究了颗粒内传热传质特性对组分分布、温度分布、异丙醇产量及选择性的影响,并给出了最优的催化剂颗粒直径dp和催化剂内部微孔直径d0值.模拟结果表明,颗粒内温度分布较均匀,对反应影响不明显;大的dp值和小的d0值会显著增大催化剂颗粒内部的反应物浓度和反应速率梯度,降低催化剂的使用效率,降低异丙醇选择性.优化模拟结果说明,对于丙酮高温加氢放热反应,球形催化剂颗粒应选择催化剂颗粒直径1 mm,微孔直径10 nm.