Effect of Particle Size Distribution on Radiative Heat Transfer in High-Temperature Homogeneous Gas-Particle Mixtures

The weighted-sum-of-gray-gas(WSGG)model and Mie theory are applied to study the influents of particle size on the radiative transfer in high temperature homogeneous gas-particle mixtures,such as the flame in aero-engine combustor.The radiative transfer equation is solved by the finite volume method.The particle size is assumed to obey uniform distribution and logarithmic normal(L-N)distribution,respectively.Results reveal that when particle size obeys uniform distribution,increasing particle size with total particle volume fraction fvunchanged will result in the decreasing of the absolute value of radiative heat transfer properties,and the effect of ignoring particle scattering will also be weakened.Opposite conclusions can be obtained when total particle number concentration N0 is unchanged.Moreover,if particle size obeys L-N distribution,increasing the narrowness indexσor decreasing the characteristic diameter Dˉwith the total particle volume fraction fvunchanged will increase the absolute value of radiative heat transfer properties.With total particle number concentration N0 unchanged,opposite conclusions for radiative heat source and incident radiation terms can be obtained except for radiative heat flux term.As a whole,the effects of particle size on the radiative heat transfer in the high-temperature homogeneous gas-particle mixtures are complicated,and the particle scattering cannot be ignoring just according to the particle size.

基于ISPSO的半透明介质中多种辐射特性参数反演

半透明介质广泛存在于工业和化工设备中,其热辐射特性在研究介质传热过程中起着重要作用。本文提出了一种改进的随机粒子群优化(Stochastic particle swarm optimization,ISPSO)算法,从角度光散射测量信号中反演半透明介质的热辐射特性参数,即吸收系数、散射系数和不对称系数。研究结果表明,与随机粒子群算法(Stochastic particle swarm optimization,SPSO)相比,ISPSO算法避免了局部最优和收敛精度低的现象,即使在5%的随机测量误差下也能获得合理的检索结果。当只需要研究两个参数时,反结果的鲁棒性是令人满意的。当反演的参数较多时,反演精度会降低。此外,在5%随机测量误差下,同时反演多个辐射特性参数时,即吸收系数、散射系数和不对称因子,本文提供的方法仍能得到满意的结果。结果表明,本文提供的反演方法是一种有效可靠的方法,可以同时估计半透明介质中的多个辐射特性参数。

基于反应特性的可变截面甲醇水蒸气重整反应器优化

研究了双套管式甲醇水蒸气重整(Methanol steam reforming,MSR)反应器在热空气加热条件下重整通道中的流场特征和催化床的温度分布特性,结果表明:催化床的温度沿流向迅速降低,最低温度在距催化床入口15 mm至20 mm处;然后,温度随流动方向逐渐升高至反应温度;此外,沿半径方向从中心到壁面催化床温度逐渐升高,热阻的存在使得催化床中心的温度低于周围的温度。根据这一反应特点,本文提出了一种变截面重整反应器,以充分利用供热能量,提高反应效率;然后利用响应面分析法(Response surface methodology,RSM)对变截面反应器的结构参数进行了优化。结果表明,在相同的边界条件下,加热通道重整入口处的外半径R_(1)=49.94 mm,最小横截面处的半径R_(2)=39.99 mm,最小横截面到催化床入口的距离D=98.44 mm,甲醇转化率显著提高。

PEMFC流道结构研究现状及发展趋势

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)被认为是提高小型无人机续航能力的最有前景的动力源,也是未来绿色航空发展的方向之一,它的性能决定了无人机的任务能力。双极板是PEMFC中的关键组件,其中流道结构更是决定着PEMFC的水热管理、质量输运和电流密度分布,深刻影响燃料电池的综合性能。不同流道结构各有优缺点,充分了解流道结构对性能的影响可以对不同应用背景下的流道设计以及改进工作提供参考。本文对现有的常规和新型双极板流道结构进行了总结,归纳和分析了不同流道结构特征对PEMFC性能的影响。从流道横截面形状、长度、数量、宽度和挡板位置等方面入手探究增强PEMFC性能的高效流道结构设计方案。

散射对高温气体⁃碳黑颗粒混合物辐射传输的影响

基于全光谱k分布(Full spectrum k distribution,FSK)模型、MIE理论和有限体积法(Finite volume method,FVM),构建了均温、均质辐射参与性气体-碳黑颗粒混合物介质热辐射传输模型,并分析了碳黑不同尺寸、不同体积浓度以及介质不同路径长度和不同温度条件下,因忽略碳黑颗粒散射所导致的介质热辐射传输特性(如辐射热流、辐射源项)的计算误差。研究结果表明:体积分数不变,增大粒径,计算误差呈现出先增大后减小的趋势;数密度不变,增大粒径,或者粒径不变,增大体积分数,均将使得计算误差相应增大;粒径、体积分数不变,增大路径长度,或者升高介质温度,均将增大计算误差。通常对于含有大颗粒、高碳黑浓度的辐射参与性气体-碳黑颗粒混合物介质,碳黑颗粒散射不能忽略。

湍流乙烯扩散火焰中碳黑的数值模拟研究

以德国航空航天中心湍流乙烯扩散火焰为对象,基于k-epsilon湍流模型和稳态扩散火焰面结合假定概率密度函数(PDF)模型,研究了Moss-Brookes和Moss-Brookes-Hall碳黑模型中不同氧化组合方式以及碳黑成核速率常数C_α对碳黑浓度分布和温度的影响。其中,辐射模型基于球谐函数法(P1)和灰气体加权和模型(WSGG)。研究结果表明:在Moss-Brookes和Moss-Brookes-Hall碳黑模型中FJ-equilibrium、Lee-instantaneous两种氧化组合方式能够较好地预测乙烯扩散火焰的碳黑分布位置,默认的碳黑成核速率常数C_α会过高地预测碳黑浓度,随着C_α的减小碳黑浓度减小,修正碳黑成核速率常数C_α后能准确预测碳黑浓度和温度分布。

双套管式甲醇水蒸气重整制氢反应器性能强化研究

以双套管式甲醇水蒸气重整制氢反应装置为研究对象,首先建立以热空气供热重整反应的反应器物理模型,探究在热空气供热条件下,空气温度、流速等参数对甲醇重整制氢的影响;其次,为充分利用供热能量,在供热通道中增加了强化换热的肋片(直肋和波浪肋),分析了3种构型反应器的甲醇转化率和得氢率;最后,为得到较优的反应器结构,采用响应面分析法对波浪肋的结构特性参数进行了优化设计。研究结果表明:甲醇的转化率随空气温度和流速增加而增加;无肋双套管重整反应器装置制氢效率较低,装置出口热空气温度较高,不利于能量优化利用;增加了强化换热肋片的反应器在相同边界条件下甲醇转化率和产氢率都更高,其中,带波浪肋的反应器的性能改善效果更加明显;在波浪肋的特征参数中,肋片高度、肋周期和肋圆半径对反应器传热及甲醇转化率影响较大,肋角的影响较小;当肋高度为10.46 mm,肋周期为5倍半径,肋角度为53.49°,肋圆半径为9.98 mm时,甲醇转化率可达到99%以上。

WSGSA模型在C_(2)H_(4)/空气湍流扩散火焰温度和烟尘预测中的应用

碳黑颗粒是燃烧不足的产物,通常以聚集体的形式存在。碳黑分形聚集体的多次散射特性已被证明在研究烟灰辐射特性方面起着重要作用,但在预测燃烧火焰中的辐射传热时很少考虑这一点。本文基于用于预测湍流扩散火焰中温度场和碳黑聚集体的灰体分形聚集体加权和(Weighted sum of gray soot fractal aggregate,WSGSA)模型,分别计算了模型不考虑辐射、Fluent软件默认辐射模型和WSGSA模型条件下的火焰温度分布和烟尘体积分数分布。结果表明,不考虑辐射会较大程度地高估火焰温度,火焰中心线温度的最大相对偏差约为64.5%。Fluent软件中的默认辐射模型将提高精度,但火焰温度仍然偏高,火焰中心线温度的最大相对偏差约为42.1%。然而,WSGSA模型获得的结果更加精确,火焰中心线温度的最大相对偏差不超过15.3%。在研究沿不同火焰高度的温度分布时也可以得到类似的结论。此外,应用WSGSA模型还可以更准确地预测烟尘体积分数。不考虑辐射以及使用Fluent软件中默认的辐射模型都会导致碳黑体积分数偏低。所有结果显示,WSGSA模型可用于有效预测CH/空气湍流扩散火焰中的温度和碳黑聚集体分布。

光反射-透射测量方法在颗粒分形聚集体几何形貌重建中的应用

颗粒态物质通常以分形聚集形式存在,如碳烟、气溶胶和灰尘。颗粒分形聚集体辐射特性对研究颗粒介质中光热辐射传输有重要影响。基于光反射-透射测量方法,分析比较了单层反演模型和双层反演模型对重构颗粒分形聚集体几何特征参数的影响,并发展了一种改进的人工鱼群算法作为反问题方法,旨在提高反演结果精度。研究表明,双层反演模型比单层反演模型能提供更多的不相关信息来提高反演精度。与人工鱼群算法相比,改进的人工鱼群算法具有更高的精度和更好的鲁棒性,能够有效地避免局部优化问题。本文结果为预测颗粒分形聚集体几何特征参数提供了一种有效的测量技术。