瓦楞式固体氧化物燃料电池的结构优化

建立了瓦楞式固体氧化物燃料电池(SOFC)三维模型,并基于有限元方法对其进行了模拟计算。针对多孔电极内反应物分布不均、SOFC输出性能受限这一问题,以改善多孔电极内物质的传输和提升电池的输出功率为目标,考察了肋宽和阴极厚度对瓦楞式SOFC气体摩尔分数分布、温度分布、性能曲线以及极化损失的影响。结果表明:肋宽与阴极厚度的比值λ对SOFC多孔电极内气体的质量传输,以及电池的输出性能均有着重要影响:较小的肋宽有利于反应物在多孔电极内充分扩散,可以改善气体分布的均匀性、降低电池的浓差极化、提升电池输出性能;阴极厚度的增加则会使SOFC温度升高,从而使活化极化降低,电池的性能得到优化。考虑肋宽和阴极厚度对SOFC性能的协同影响可知,采用较小的λ值,可以改善电极内气体分布的均匀性,使电池的总极化损失减小,输出性能也因此得到提升。λ从10.00减小到3.33时,电池的最大平均功率密度提升了53.68%。

基于默里定律设计的PEMFC阴极分配器研究

为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)中流道内气体分布的均匀性,对燃料电池的流道分配器的结构进行了研究。结果表明:传统的分配器结构会导致通道间的压降差异较大,氧气分布的均匀性差,电池输出功率低。随着增加分配器主通道的宽度,压降差异有所减小,氧气分布的均匀性略有提高。而基于默里定律设计的新型分配器结构可以提高15.67%的通道压降和79.48%的氧气分布均匀性,电池的输出功率也提高约25.2%。最后通过计算推导表明:增加流场中的平均压降和减少通道间的压降差异可以改善气体分布的均匀性。

填充改性聚四氟乙烯复合材料研究进展

介绍了近几年国内外对聚四氟乙烯(PTFE)进行填充改性以提高PTFE综合性能的研究进展,对填料的种类以及PTFE复合材料性能的研究现状进行了阐述。

基于经济学观点确定换热网络传热温差

从分析和经济学的角度提出了确定换热网络最小传热温差的方法。在基于夹点技术温焓图的基础上,把冷、热公用工程物流的基本属性同工艺物流的组合曲线一起标示于温焓图上,组成平衡组合曲线。对平衡冷、热组合曲线进行分段积分,较精确地求取换热网络传热过程的损失。以损费用代替公用工程的能耗费用作为操作费用,确定经济目标函数,用以计算最佳的传热温差。该方法为合理地降低能源消耗指明了方向,同时揭示了能量在过程系统中演变和变化的本质。

矩形微通道内单相液体湍流对流流动与换热数值研究

采用CFD方法对不同当量直径矩形微通道内微流体的流动和换热特性进行了三维数值研究,同时对当量直径为100μm的微通道内的流体流动与换热特性进行了详细地分析讨论。结果表明:雷诺数相同时,阻力系数随当量直径的增加而增加,而努赛尔数和压降随当量直径的增加而减小;沿流体流动方向,各个截面上的温度逐渐上升。所得计算结果可为分析和设计矩形微通道及其组成的微尺度换热器提供参考依据。

换热网络综合优化研究方法的新进展

随着能源供需矛盾的加剧,能源利用问题越来越为人们所关注。换热网络作为过程工业中耗能的主要部分,其综合优化方法的研究已经取得了很大的进步。文中综述并讨论了换热网络近年来的综合优化合成研究的内容和方法,并展望了今后的研究发展方向。

超临界CO_2冷却条件下水平微圆管中对流换热特性

采用Y-S低雷诺数模型对超临界CO2在直径100μm的水平管内冷却对流换热特性进行了数值模拟。分析了不同CO2进口雷诺数对超临界CO2对流换热的影响,并以Re=10000为例,研究了管内不同截面径向流体无量纲温度、无量纲速度、湍动能分布情况。结果显示,对流传热系数随着进口雷诺数的增加而增加,传热系数峰值出现在CO2准临界温度点附近,该截面上流体湍动能和速度达到最大。

螺旋槽管管内强化传热的三维数值模拟

基于周期段模型,对不同结构参数的螺旋槽管管内流动和换热进行了三维数值模拟,得到了管内流体湍流流动的速度场和温度场的细观分布.结果表明,随着槽深增大,螺旋槽管换热性能增强的同时阻力系数也相应增大;随着螺距增大,其换热性能减弱且阻力系数明显减小.最后,结合模拟结果数据,拟合出了努赛尔数Nu和阻力系数f的相应关联式.

超临界CO_2体系黏度分子动力学研究

由于具有较低的临界温度以及适中的临界压力,超临界CO2成为最为常见的超临界流体,被广泛应用到超临界萃取和制冷等领域.充实超临界CO2体系的基础物性数据,对于进一步利用超临界CO2具有积极意义.运用平衡分子动力学方法,以Lammps免费开放源代码模拟平台为基本框架,自行编译针对超临界CO2特性的脚本文件,对超临界CO2体系的黏度物性进行计算,并将计算结果与成熟的物性数据库进行对比.结果表明,所编译脚本文件计算值与相关数据误差在0.5%以内,说明使用该方法用来获得超临界CO2黏度是可行的.

缩放管结构优化数值研究

采用数值模拟方法研究了不同扩张段跨度、不同扩张段弧高,共28组结构参数的缩放管,考察其管内流体的传热及阻力降性能.结果表明,缩放管结构的周期性扩张与收缩引起流线弯曲,并造成近壁面流体对壁面的冲刷,产生流体分离,促进核心流体与边界层流体的混合,减薄层流底层,强化了对流传热;由于管内流体流线的周期性变化,流体的阻力降显著增加.对比结果表明,在扩张段弧高为5 mm时缩放管综合性能最优,且随着扩张段跨度的增大综合性能增大.

微通道散热器新型通道设计及性能分析

微电子设备的发热问题严重影响着其可靠性,散热器的热设计已成为微电子设备结构设计中不可忽略的一个重要环节。微通道散热是近年来发展起来的一种新型散热措施。设计了多种新型的微通道散热器结构,并利用数值方法研究了新型微通道结构散热性能及微通道内流体的流场分布情况。研究结果表明,新型微通道散热器增大了换热比表面积,具有较好的散热效率。菱形肋微通道(导流角度120°)的散热效率改善的尤为明显。各新型微通道靠近壁面的死区较少,流体与通道的接触面积也更多,因而换热效果较好。尤其是菱形肋微通道(导流角度30°)内的流场分布更为均匀。

螺旋外肋管换热器壳侧流体流动与换热特性数值研究

利用CFD技术,研究了螺距及肋高对螺旋外肋管换热器壳程流体流动和换热性能的影响。建立了壳程周期性单元流道模型并进行数值计算,详细分析了不同螺距、肋高对壳程流体流动及换热的影响。结果表明,适当地减小螺距可以有效地强化管壁对流换热效果,同时伴随着摩擦阻力系数的增大,但综合换热性能更强。在高雷诺数区域,随肋高的增大,螺旋外肋管的换热性能随肋高的增加比较明显,而摩擦阻力系数的变化与肋高变化的程度大致相同。速度场和温度场的平均协同角随螺距的减小而减小,协同程度增强。提出了螺旋外肋管换热器壳程换热及阻力性能公式供相关工程设计参考,并对外肋管换热器壳程综合强化性能做出了评价。

复合材料板翅式换热器力学与传热性能数值研究

本文采用数值模拟方法,利用有限元分析软件ANSYS模拟PTFE复合材料用于板翅式换热器时的导热性能以及在各种工况下的受力情况,得到PTFE的热导率与不同温度载荷下的压力和温度图,并进行分析。分析结果可为PTFE复合材料的优化设计提供参考依据。

污垢对换热器壳程压降的影响分析

随着污垢在传热表面上积聚,换热器流道表面的粗糙度增加,摩擦系数增大,并且流体的流通截面积减小,引起流体流速增加,压力降增大。建立了换热器壳程单元流道模型,对计及污垢影响下的壳程压降进行了试探性的分析及讨论,研究并确定了换热器污垢影响最小化因素,为设计、操作换热器时降低污垢带来的影响提供理论依据。

被动湍流控制圆柱驰振能量收集的等效电路研究

为更好的预测驰振压电能量收获机的性能,首先建立了等效电路仿真模型(ECM)并通过实验验证,最大误差不超过10%。采用该方法分析了被动湍流控制(PTC)下圆柱驰振压电能量收集的仿真模型,且该方法可将驰振能量转化系统的质量-弹簧-阻尼(M-C-K)控制方程中各参数用等效电路的电子元件来表示,从而可以分析过往仿真手段所不能解决的直流电路耦合问题。其次,从能量收集效率角度分析了交流-直流等效电路中临界风速(Ucr)随外接载荷的变化规律,及输出电压与功率随不同风速和外界载荷的变化规律。结果表明,交流电路中Ucr随载荷的增大先增大后减小,直流电路中Ucr随载荷的增大逐渐减小。当风速达到Ucr的最大值时,驰振在任一电阻下均会发生。U≥Ucr时,驰振出现锁定现象,输出电压和功率均随着风速的增大而增大。当风速过大时,增长率有减小趋势。输出电压均随着电阻的增大而增大,功率随电阻的增大先增大后减小。相比于交流电路,直流电路的最佳负载由1.1 MΩ提高到2.0 MΩ,同时功率峰值从0.08 mW降低到0.04 mW。

螺旋内肋管换热及流体流动数值研究

利用CFD技术,针对螺旋内肋管的不同结构参数,对不同螺距、螺旋角和肋高等27组结构进行数值研究,详细分析了各个结构参数对流体流动及换热的影响.结果表明,适当减小螺距可有效提高管侧对流换热能力,同时伴随着阻力降增大,换热性能对雷诺数的增长趋势更为明显,综合性能趋势向好.随着肋高的增大,在高雷诺数区域强化管的换热性能随肋高的增加变化得更为明显,且摩擦系数增加的比例与肋高增加的比例大致相当.拟合了螺旋内肋管换热及阻力性能公式,同时对强化管综合性能做出评价.

计及污垢影响的换热网络综合研究

利用换热网络进出口温度之间固有的线性性质,在理论分析的基础上,提出温度传递系数的概念,对换热网络温度波动的影响进行定量分析,从而确定温度波动在系统中的传递性质;计算温度波动在系统中产生的影响,进而获得需要改进换热网络的数据和信息.利用换热网络温度传递系数法计算的实例结果对于指导实际生产具有积极意义.通过温度传递系数可以较为明确地看出哪些影响因素占据主导地位、哪些影响因素较为次要,以方便工程技术人员及时、准确地测控各个影响因素.

竹节强化传热管综合性能数值研究

基于无源强化传热理论,提出一种新型竹节强化传热管。采用数值模拟方法研究了不同突起间隔及突起高度时管内流体的传热及阻力降性能,并与光管进行了对比。结果表明,管壁面的扩张与收缩引起流线的弯曲,并造成近壁面流体对壁面的冲刷,产生流体分离,促进核心流体与边界层流体的混合,减薄层流底层,强化了对流传热,同时增大了换热面积;由于管内流体流线的反复变化,流体的阻力降显著增加。对比结果表明,该新型竹节管较光管的综合性能有所提高;数值结果显示出强化管内部流体的速度分布及温度分布细观信息,为强化管的理论分析提供了依据。

石墨填充聚四氟乙烯复合材料的拉伸试验研究

通过对添加石墨的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料进行拉伸试验,考察石墨的添加量对改性复合材料拉伸强度的影响.得到了试样的拉伸强度及其拉伸性能曲线.试验结果表明,石墨的添加量对改性PTFE的性能影响很大.当石墨体积分数为24%时,改性PTFE复合材料的拉伸强度较纯聚四氟乙烯降低了48%,仅为12.2 MPa;随着石墨含量的继续增加,改性PTFE复合材料的力学性能持续明显降低.

缩放管流体流动与传热性能数值研究

基于无源强化传热理论,提出一种新型缩放强化传热管。采用数值模拟方法研究了不同扩张段跨度时管内流体的传热及阻力降性能,并与光管进行了对比。结果表明,强化管可促进核心流体与边界层流体的混合,减薄层流底层,强化对流传热,同时增大换热面积,流体的阻力降显著增加,较光管的综合性能有所提高。数值结果为强化管的理论分析提供依据。