“新工科”背景下工科专业毕业设计与思政要素的融合与创新

“课程思政”是专业课程与思想政治理论同向同行、协同育人的重要抓手,是新时期高校思政教育的必然趋势,符合“新工科”建设的内在要求。但在知识融会贯通与能力培养最重要的毕业设计环节,存在课程思政明显缺失的现象。为了解决这一问题,以过程装备与控制工程专业毕业设计环节的课程思政融合为研究对象,详细分析毕业设计与思政要素融合过程中存在的问题,从顶层设计、师资建设、思政元素融入策略、形式多样化方法、学生兴趣引导策略、评价及推广体系改革等方面提出针对性改进措施,进一步探索毕业设计融合课程思政的创新方式,为其他专业毕业设计环节思政要素的融合与创新提供经验与思路。

应用于新型环路热管的两相引射器数值模拟

环路热管是一种高效被动式相变传热装置,广泛应用于高热流电子器件散热等领域。前期研究发现将小型两相引射器与平板式环路热管耦合,可大幅提高传热性能。然而,小型两相引射器内部流动及传热机理尚不清晰,难以对新型环路热管进行正向设计与理论建模。通过数值模拟研究了汽水参数和混合腔结构对两相引射器性能及内部流场分布的影响。结果表明,喉部下游存在凝结激波,随着背压增加,其位置逐渐向喉部移动;其强度与背压、蒸汽产量、混合腔长度呈正相关,与水温呈负相关。引射器最大工作背压在40~125 kPa,与蒸汽产量和水温呈正相关,与混合腔长度呈负相关。通过大量模拟,得到了设计功率下水温和混合腔长度对引射器工作模式和压比的影响规律。

歧管式射流微通道液冷散热性能

随着信息技术进步,芯片向大面积、高功率方向发展,对热管理提出了严峻挑战。微通道液冷能够解决高功率芯片散热难题,但传统平直微通道热沉流阻大、温度均匀性差。提出了一种耦合歧管式进出液结构、分布式射流和微针翅的新型歧管式微通道散热器,在平均热通量高于330 W/cm^(2)、总功率达到2500 W时,芯片平均温度低于70℃,实现了高效散热。通过数值模拟发现:降低散热器射流腔高度可显著强化传热,但整体压降也随之陡升,存在一个最佳射流腔高度;散热器底板的微针翅尺寸及其与射流腔的相对尺寸是新型歧管式微通道散热器的重要结构参数,微针翅的存在并不是绝对有益于传热强化。定义了微针翅与射流腔之间相对高度的无量纲参数——翅占比,存在临界翅占比使得阻碍效应和强化效应相抵消,当翅占比高于这一临界值时才能达到强化换热效果。本研究为新型歧管式微通道散热器的设计提供了指导。

富油煤原位热解多物理场演化规律数值模拟研究

【目的】富油煤原位热解是一种具有清洁、高效、安全等优势的煤炭资源新兴利用技术,尚处于起步阶段,多物理场演化规律及关键工艺参数对富油煤原位热解过程具有重要影响。【方法】通过构建耦合流体流动、传热以及化学反应的多物理场数值模型,并与富油煤圆柱煤样热解实验的结果对比分析,以验证多物理场耦合模型的可靠性。根据先导试验条件,采用均质/非均质渗透率模型研究了渗透率、热载体流量以及致裂区高度对热解过程中传热传质的影响。【结果和结论】结果表明,增大渗透率有利于快速生产,对于均质渗透率模型而言,当渗透率为1μm2时热解反应仅需38 d即可完成,建议对煤层进行冲击致裂使得煤层渗透率达到达西级别。而对于非均质渗透率模型,在加热前期增大热载体流量可以提高传质传热速率。热载体流量为0.12 kg/s时,高渗区域热解反应完成仅需12 d左右。后期当中心高渗区域煤热解完成后,反应及渗流速率变慢,提高热载体流量对反应速率的影响较小。实际生产中建议前期选择较大的热载体流量(0.12 kg/s)促进高渗区域快速热解,更快产生焦油;后期可减小热载体流量节省成本。增大致裂区高度可提高热解速率,致裂区高度为6 m时,热解反应仅需130 d左右即可完成。实际应用中需综合考虑冲击致裂成本以及热解时间成本。

基于ReaxFF MD模拟的低阶煤热解产物演化规律及反应机理

热解是实现煤炭资源清洁高效利用的重要途径,深入认识煤热解过程中挥发分自由基的变化规律对调控热解产物至关重要,但实验方法难以捕捉其细节。本文选用经典的褐煤分子模型,结合反应分子动力学(ReaxFF MD)模拟探究了低阶煤热解过程中挥发分自由基的演化规律及反应机理。ReaxFF MD模拟结果表明,挥发分产物的收率随升温速率的增大而增加,较高的升温速率抑制了气体产物的生成、提高了焦油产物的收率,但焦油的重质化严重。含氧官能团的裂解是煤热解的触发机制,热解过程主要分为活化(800~1200K)、热解(1200~2400K)和缩聚(2400~2800K)三个阶段。在高温缩聚阶段,焦油片段之间更容易交联,进而发生缩聚反应形成焦炭,并伴随着气体生成,导致焦油收率降低,气体和焦炭产率增加。因此,改善焦油收率和品质的关键是促进焦油片段的裂解,抑制其缩聚。分析了气相产物的形成机理,CO_(2)主要来自羧基和酯基的裂解;甲氧基侧链和桥键裂解形成·CH_(3)和·CH_(2)自由基并捕获·H,最终形成CH_(4)分子;焦油的二次热解和缩聚释放大量·H和H_(2),·H之间进一步反应生成H_(2);而煤中的硫醚结构与含氮支链裂解后,进而被·H自由基稳定为H_(2)S和NH_(3)。这些从分子层面获得的机理认识,可为实验或工业调控热解产物提供重要的参考依据。

H_(2)O气氛下富油煤热解过程的反应分子动力学模拟

【目的】我国富油煤资源丰富,通过热解技术可将其转化为能源产品(化学品、气体或液体燃料等),缓解我国油气资源的对外依存程度。深入认识热解过程中的产物变化规律和反应机理,对于煤炭清洁高效转化工艺的研究至关重要。【方法】采用反应分子动力学(ReaxFF MD)模拟探究富油煤(长焰煤)热解过程以及H_(2)O气氛对热解产物分布的影响和作用机制。【结果和结论】结果表明,富油煤(长焰煤)热解的温度范围为1200~2800 K,热解过程主要分为热解(1200~2000 K)和缩聚(2000~2800 K)两个阶段。在热解阶段,随着温度的升高,煤分子快速裂解,焦炭产物不断减少,焦油和气体产物不断增加;在缩聚阶段,焦油产物之间发生缩聚反应生成焦炭,同时释放小分子气体,导致焦油产物减少,焦炭和气体产物增加。因此,提高热解温度、延长热解时间可得到更多的气体产物,而提升焦油产量的关键则是抑制缩聚反应发生。在高温缩聚阶段引入H_(2)O气氛热解,结果表明,H_(2)O能够有效地促进煤分子的裂解,随着H_(2)O占比的增加,煤热解体系中C―C键减少,C―H和C―O键增加。分析二者之间的交互作用发现,煤热解产生的自由基与H_(2)O反应,促进H_(2)O分子分解,H_(2)O分解产生的H•和OH•又进一步促进煤裂解,并与煤热解产物反应,生成更多的焦油和气体。研究加深了对富油煤热解过程的理解,对煤炭资源的清洁高效利用具有一定指导意义。

再压缩S-CO_(2)布雷顿循环性能分析及多目标优化

结合储热的太阳能热发电技术输出稳定、调峰能力强,引入超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环可进一步提升热电转换效率。既有研究大多采用单一指标对S-CO_(2)循环进行性能评估,结果相对片面,因而有必要开展多指标综合性能评价以客观反映循环性能状况。建立了35 MW再压缩式S-CO_(2)循环的热力学和经济性模型,考察了关键参数对循环性能的影响。构建了反向传播神经网络结合遗传算法的优化方法(BP-GA),对循环性能进行多目标优化。结果表明,回热器总热导率的增加可提升循环效率,但存在上限;透平入口温度、循环最低和最高压力、分流比与循环性能分别存在显著的非单调作用关系,优化后的设计值依次为639.14℃、8.10 MPa、29.74 MPa和0.70。与初始设计值下的循环性能相比,优化后的循环系统度电成本降低了11.1%,循环热效率和比功分别提高了5.1%和27.6%。

综合管廊中掺氢天然气泄漏安全性分析

为了解掺氢等多因素耦合对管道输送中掺氢燃气泄漏扩散的影响,针对3种常见燃气输送场景中的地下综合管廊,从其受限空间易导致燃气云积聚爆燃的特性出发,考虑不同泄漏方向、掺氢比、管道压力等影响因素,使用Fluent软件对综合管廊内可能出现的泄漏场景进行模拟,研究了其内部燃气的分布特性,并对报警探针位置及其间距设置进行了安全性分析。模拟结果表明:泄漏口朝向会严重影响贴壁燃气分布,二次流近壁区的燃气积聚更加明显,在侧壁距顶部30 cm处安装探针能有效降低报警延迟;当掺氢体积分数为20%时,泄漏速度提高了9.03%,导致泄漏口近端的燃气积聚加剧而泄漏口远端的风险略微增加;燃气泄漏5 s时的爆炸浓度(燃气摩尔分数大于4%)区间距离为1.54 m,添加10%、20%的氢气可使该距离分别增加16.2%(1.79 m)、36.4%(2.10 m);当管道压力增加至0.8、1.2、1.6 MPa时,达到报警浓度的时间分别缩短了18.9%、28.3%、32.1%。研究可为综合管廊内掺氢天然气的输运安全提供参考。

面向高热流电子器件散热的环路热管研究进展

环路热管是一种高效的两相传热装置,在高热流电子器件散热领域极具前景。介绍了平板式环路热管目前存在的三大瓶颈问题,即极限热通量不能满足某些大功率器件的需求、温度波动问题和低功率下启动失败及温度过冲问题,分析了这些问题产生的原因,并总结了近十年来研究人员提出的解决方法,包括毛细芯性能改良、工质优化和环路热管结构改进等。随后列举了已取得实际应用的环路热管结构及其使用场合。最后对平板式环路热管的研究现状进行了总结,并提出了进一步的研究方向,为提高环路热管综合性能和实现商业化应用提供参考。

课程思政内容与教学方法探索——以过程设备设计课程为例

过程设备设计课程是过程装备及控制工程专业核心专业课之一。以立德树人为根本任务,围绕过程设备设计专业知识,深入挖掘课程思政元素并与专业知识有机融合,从导入思政元素、倡导学生积极主动学习和研讨思政知识、完成课程知识与思政建设目标三个方面开展思政协同授课,培养学生树立浓厚的家国情怀和追求真理、无私奉献的精神,具备利用马克思主义的立场、观点和方法分析和解决问题的能力,具有牢固的安全、环保意识和社会责任感,成为胜任中国特色社会主义现代化建设任务的高水平高素质人才。

富油煤绿色低碳转化技术研究进展

受限于我国相对富煤贫油少气的能源禀赋,拓展非常规油气资源供给途径保障我国能源安全至关重要。富油煤是一类富含易断裂弱键结构且具有较高焦油产率的强资源属性煤种,将其高效清洁转化提取其中潜在的油气资源是极有发展前景的煤炭利用方式。聚焦于富油煤地面快速热解提油、地下原位热解提油以及与生物质协同热解等3种典型工艺路线,分别从研究进展及面临的挑战、反应机理及研究方法、工艺过程分析及优化、工艺装置开发及应用方向等4个方面进行详细阐述与总结。富油煤地面快速热解提油具有焦油收率高的优势,但同时也面临焦油品质差、粉尘分离困难的挑战。阐述了富油煤快速热解动力学模型建立及修正、工艺参数调控及优化、相关工艺装置总结及分析等方面进展。地下原位热解提油指富油煤不经开采直接在地下加热、热解,所得油气产物经采出至地面分离加工的新技术,具有占地面积小、开采费用少、排放污染小的优势,但也面临储层非均质、产物输运路径长损失大、地层应力高、孔隙压力大等挑战。从地下原位热解的热力学特性分析、过程强化探究、模拟实验装置开发等方面进行论述。富油煤与生物质协同热解可协调2者各自作为碳基热解原料的局限性,实现“碳氢互补、协同调质”,在进一步提高挥发分收率的同时实现热解规模化生产。协同热解仍面临产物定向调控困难、固相产物结构演变机制不明晰、反应器内物料均匀混合不充分等挑战。综述了富油煤与生物质协同热解中关键有机组分间相互作用机理、固相产物结构影响机制及利用技术、系列化规模装置开发等,并简要介绍了富油煤高效转化的其他分支技术,包括微生物转化,直接制油以及间接制油3种工艺特点及发展现状。富油煤作为储量丰富的油气替代资源,明确其主要转化提油工艺可以为其合理高效低碳利用提供有力的理论指导,为我国未来的能源发展道路提供更多选择。

管壳式太阳能相变储热器传热特性的数值研究

通过焓-孔隙法建立数值模型,研究石蜡RT50在管壳式太阳能储热器的传热特性,并分析储热器安装形式、不同管径和管外肋片结构对相变储热过程的影响规律。结果表明,立式储热器在管径较大时(相变材料区域厚度较薄时)熔化速度比卧式储热器快;而在管径较小时(相变材料区域较厚时)熔化速度比卧式储热器慢。卧式储热器相变材料熔化过程的初始时间段和末尾时间段热传导占主导地位,而中间时间段自然对流换热占主导地位,且熔化速度主要由自然对流换热决定。此外,管外侧安装肋片能够显著提高传热系数,缩短熔化时间。相较于无肋片管道,卧式储热器采用环肋管道可缩短熔化时长31.6%;采用直肋管道可缩短熔化时长42.1%。直肋比环肋具有更好的传热效果,主要原因为直肋能够强化熔化过程中的自然对流。

钡含量对(La_(0.5)Sr_(0.5))_(1-x)Ba_(x)Fe_(0.6)Co_(0.4)O_(3)化学链甲烷干重整性能的影响

化学链甲烷干重整可将CH_(4)和CO_(2)转化为各种增值产品,是一种具有低分离要求的高效反应技术,并可助力碳中和。目前,该技术面临的一个主要挑战是设计和开发具有良好反应性和稳定性的载氧体。合成了Ba取代的具有锚定纳米颗粒的(La_(0.5)S_(r0.5))_(1-x)Ba_(x)Fe_(0.6)Co_(0.4)O_(3)钙钛矿氧化物,将其用作化学链甲烷干重整的载氧体,通过多种表征手段和性能评价,研究了该类材料的物化性质和氧化还原性能。结果表明,在所有样品中,La_(0.35)S_(r0.35)Ba_(0.3)Fe_(0.6)Co_(0.4)O_(3)在甲烷部分氧化过程中可实现84.3%的甲烷转化率、15.23 mmol·g^(-1)的合成气产量以及最高的氧消耗量(5.29 mmol·g^(-1)),显示出优异的氧扩散速率,同时具有95.8%的合成气选择性、70.0%的CO选择性和1.36 mmol·g^(-1)的积炭。对甲烷还原过程中气体生成速率的分析表明,Ba取代可以优化载氧体的晶格结构,导致高的离子迁移率,促进氧在体相中的快速扩散,进而提升CH_(4)转化。此外,氧化还原循环测试表明该载氧体具有较优异的结构稳定性和较好的再生能力。

密相液固两相湍流K-ε-T模型及其在管道两相流中的应用

为了准确预测密相液固两相湍流流动 ,建立了 K_ε_T模型 ,推导了控制方程组· 利用该模型对竖直上升管中的密相液固两相流动进行了数值模拟 。

表面活性剂湍流减阻研究进展

表面活性剂较高分子聚合物在流体管道输运中具有可逆机械降解特性的优点,更适用于存在高剪切的场合以及封闭的循环回路进行减阻,但存在对其复杂流变特性及减阻机理认识不完善的问题,使得其在减阻领域的应用受到了限制。本文回顾了作者近年来在表面活性剂溶液微观结构、复杂流变学特性、湍流结构以及其与减阻和传热性能之间的内在联系方面的研究进展;介绍了表面活性剂减阻和壁面微沟槽协同作用减阻的研究成果;指出通过拉伸流的方式能够在压损较小的情况下更有效地提高表面活性剂溶液的传热性能。针对表面活性剂现有研究的不足,本文提出4条建议作为表面活性剂的未来研究方向,分别为开发环境友好型高效表面活性减阻剂、强化换热装置的优化设计及优化布置、表面活性剂与其他减阻方式耦合特性的深入研究以及表面活性剂在尺度放大、防腐和减阻持久性方面的实际工业应用研究。

柱状微结构表面强化沸腾换热研究综述

沸腾换热是一种非常高效的热传递方式,不论在地面常重力环境还是空间微重力环境下都有十分重要和广泛的应用。强化表面结构是一种有效的无源强化换热技术,而强制对流和射流冲击作为高效的直接冷却方式,在有源强化换热技术中被认为是最有发展前景的冷却方式。结合无源强化换热技术和有源强化换热技术同时进行强化沸腾换热是进一步提高换热能力的有效途径。以电子器件高效冷却技术为背景,对自主开发的微米级柱状微结构表面强化沸腾换热研究现状进行了综述,包括常重力条件下池沸腾、流动沸腾、射流冲击、流动-喷射复合式沸腾换热以及微重力条件下的池沸腾换热。同时,与其他强化沸腾换热表面结构进行了对比,总结并分析了各种强化表面结构及换热方式的优缺点,为下一步的学术研究和工业应用提供相应的参考。

表面活性剂溶液内部微观结构和流变特性研究

进行了稳定剪切流下稀疏表面活性剂溶液的三维布朗动力学数值模拟.将溶液内部胶束粒子假设为由球体依次线性联结所构成,分别用Lennard-Jones势和软球势来描述不同粒子端部球和内部球相互之间的作用.采用Verlet速度算法进行模拟,得到了不同剪切率下胶束结构和流变特性.在低剪切率下可得到表面活性剂溶液内部的网状胶束结构,该结构在高剪切率下遭到破坏.剪切粘度和第一正应力系数呈剪切稀化特征.揭示了溶液内部结构和流变特性的关系.

离心泵叶轮内密相液固两相湍流的数值模拟

利用作者建立的描述密相液固两相湍流的 KET模型和推导的基本控制方程组 ,在处理壁面边界条件时考虑了颗粒和叶片的相互碰撞作用 ,对离心泵叶轮内密相液固两相流动进行了数值模拟 ,得到了泵叶轮内两相流动的一些规律 ,为液固两相流泵的设计提供了一定的理论依据。

一种新型两性界面活性剂的减阻特性

对一种新合成的两性界面活性剂N,N,N-三甲胺-N′-油酸酰亚胺在二维通道内的减阻特性进行了实验研究.为了能进行低温测试,以20%的甘醇不冻液为溶剂.溶液质量浓度范围为(5×10-5)^(1×10-3),测试温度为-5℃和25℃.用粒子成像测速仪对减阻流动的湍流特性进行了测量.实验表明,这种新型界面活性剂溶液呈现明显减阻特性,且减阻特性与浓度和温度均有很大的关系,最大减阻值可高达83%.该界面活性剂中加入NaNO2,在低温和低浓度条件下能有效改善减阻效果,而在常温和高浓度条件下反而降低减阻效果.添加界面活性剂抑制了湍流速度脉动和湍流涡脉动,使雷诺剪切应力完全消失.

零下温度时二维通道内界面活性剂减阻流动的实验研究

为了进行零下温度时区域供冷系统的界面活性剂减阻设计，测量了-5℃时以质量分数为20％的甘醇不冻液为溶剂的界面活性剂溶液油醇基二羟乙基甲基氯化铵在二维通道内的减阻特性，同时用粒子成像测速仪对减阻流动的湍流特性进行了测量．实验发现：质量分数为5×10^-5～5×10^-4的低浓度油醇基二羟乙基甲基氯化铵界面活性剂溶液在一定的雷诺数范围内均呈现减阻特性，且其减阻特性与质量分数和温度呈复杂关系，最大减阻值可高达70％以上；在湍流液体中只需加入少量该界面活性剂即可大幅度减少液体输送的动力消耗．与单独的质量分数为20％的甘醇不冻液湍流流动相比，添加界面活性剂抑制了湍流速度脉动，使雷诺应力完全消失．