Effects of ORC Working Fluids on Combined Cycle Integrated with SOFC and ORC for Stationary Power Generation

The purpose of this study is to explore the effects of working fluid on conventional combined cycle integrated with pressurized solid oxide fuel cell (SOFC) and waste heat recovery organic Rankine cycle (ORC) for stationary utility power generation. The mathematical model of a natural gas fueled design configuration is developed in Matlab and Simulink and simulated with 14 working fluids. The effluent gases of SOFC undergo combustion in the combustion chamber and it is utilized in the gas turbine, steam turbine cycle and ORC. The model is compared with those found in literature and the parametric studies of temperature, flow rate, fuel utilization factor and exhaust gas on the system efficiency are examined. Results revealed that working fluids show a closely related behavior in efficiency at low pressure ratio and high flow fraction, fuel utilization, and temperature. R-123 was found to perform the best among 14 working fluids studied, yielding a system energy efficiency of 70% in the combined cycle integrated with SOFC and ORC.

复杂流场下对焊燃油管路流固耦合特性分析

飞机燃油管路内部流体流动特性复杂,油液与管壁相互作用产生的流固耦合作用严重影响管路安全,深入研究流固耦合特性对减少管路振动和磨损具有重要意义。通过金相检测和微拉伸试验获得焊接接头区域具体尺寸和力学性能参数,建立带有90°弯管的对焊燃油管路流固耦合模型。采用Realizable k-ε湍流模型开展研究,综合分析在恒速流场下不同入口流速对流体域流动特性及固体域应力响应规律的影响和在脉动流场下不同区域等效应力的响应结果。结果表明:恒速流场下,出口弯管段最大等效应力受流速影响显著;脉动流场下,焊接接头处的最大等效应力出现在焊缝区且应力水平较为集中。可为改善飞机燃油管路的构型设计和系统性能提供重要参考。

基于流固耦合的卡车油箱振动特性研究

卡车油箱在使用过程中,存在因振动产生本体及焊缝开裂的问题。针对某400 L卡车柴油油箱,基于流固耦合理论,运用ANSYS软件分析油箱的振动特性。锤击法模态试验和仿真模态分析结果,仿真与试验测得的结构模态参数数据误差最大为13%,仿真的准确性得到验证。油箱结构自由状态下计算得到的前6阶固有频率略大于油箱安装状态下的固有频率,油箱固有频率会随着液体含量的增加而降低。油箱的固有频率在液体量从0到100 L以及300到400 L这两阶段变化明显。油箱充液比低于1/2时,油箱结构的各阶固有频率均高于危险区域的频率,不会产生共振。充液量大于3/4时固有频率接近于30 Hz的标准规定值,存在共振风险。油箱设计时,应优化油箱的结构,使其在充满液量时也能避开30 Hz标准值,更为安全。

基于流固耦合共轨高压油管振动特性研究

为了研究流固耦合作用下共轨系统高压油管的振动特性,建立了高压油管的有限元模型。首先根据输液管道动力学方程,利用ANSYS软件分析管道附加流体质量下的湿模态特性;然后以均方根(root-mean-square)量化时程内的振动能量,研究流固耦合作用下管道不同弯头的振动响应,不同燃油脉动率、压力及激励频率对管道流致振动的影响,最后对比了共振频率下管道增设管夹前后的振动特性。结果表明:流固耦合下管道固有频率下降,在高阶模态下降率较明显,附加质量系数超0.13;不同弯头振动差异较大;振动能量与燃油脉动率呈正相关,与压力大小并无直接关系;接近自振频率下管道发生共振,振幅会急剧增大至超标;并且增设管夹后共振现象消失,振动能量下降率超90%。

超临界碳氢燃料流动不稳定的频域分析与数值模拟

再生冷却通道中的流动失稳是高超声速飞行器发动机热防护技术中的核心问题之一。为研究超临界碳氢燃料在冷却通道中的流动不稳定特性,基于有限体积法及流体物性近似,发展了高效的一维瞬态模拟方法;同时,基于小扰动假设,进一步提出了用于预测稳定行为的频域分析方法。通过相关实验,验证了模型的可靠性。基于时域和频域方法的综合分析,沿内特征曲线讨论了主要失稳类型,重点分析了受密度波及Ledinegg不稳定共同影响的复合不稳定性。随后,进一步分析了工作压力和入口温度对稳定特性的耦合影响,并基于N_(tpc)-N_(spc)空间划分了稳定区域。研究发现,复合不稳定、Ledinegg不稳定以及密度波不稳定,随入口温度升高而相继消失。Ledinegg不稳定及密度波不稳定的稳定边界在N_(tpc)-N_(spc)空间具有高度相似性,而复合不稳定性的区域在较高的压力下略有缩小。

核热推进反应堆燃料元件热工应力安全分析

核热推进采用的超高温气冷堆堆芯长期运行在高热流密度、大功率梯度、大温差、高速冷却剂冲刷的严苛服役条件下,其内部的六棱柱型燃料元件可能发生应力集中导致引发结构失效风险,影响核反应堆燃料元件的运行安全性能。为探索核热推进燃料元件的热工应力行为规律及热工安全边界,以火箭飞行用核引擎(nuclear engine for rocket vehicle applications,NERVA)型核热推进反应堆为对象,选取反应堆内部密排燃料组件基本单元,建立对称模型,针对堆内(U,Zr)C石墨基复合燃料元件开展高温高流速氢气推进模式下的流-热-应力行为研究,评估燃料元件的高温熔化与断裂失效风险。研究结果表明:核热推进反应堆运行工况下,燃料元件受自身冷却剂通道排布方式与连接管元件冷却作用影响导致内部热流分配不均;径向大温差带来的热膨胀差异在轴向上积累是引发燃料元件结构断裂失效的主要原因;综合分析燃料元件内部的温度-应力场分布情况与影响因素,可为核热推进系统的运行安全设计提供优化思路与参考依据。

质子交换膜燃料电池浆料混合过程数值模拟

对质子交换膜燃料电池催化剂浆料制备工艺中浆料的混合过程进行了深入研究。通过实验测量获得了浆料流变特性、密度与铂-碳颗粒体积分数之间的关联关系,并建立了浆料混合过程的“液-固-气”三相流动模型。在此基础上,结合桨叶搅拌和高速剪切分散作用,对浆料混合过程中混浆装置内部的流场结构和铂-碳颗粒分散特性进行了数值模拟。结果表明,在搅拌桨叶作用下,混浆装置内形成的大尺度流动结构未能有效抑制铂-碳颗粒的沉降现象。然而,引入高速剪切分散装置后,不仅能够通过抽吸作用缓解铂-碳颗粒的沉降,还能通过狭缝喷射流动增强混合效果,从而显著改善铂-碳颗粒在流场中的分散特性。上述结果为混浆装置结构设计与改进提供了重要的指导,为质子交换膜燃料电池催化剂浆料的高效制备提供有力的理论支撑。

起爆方式对圆台型云爆弹装置燃料抛撒初期运动规律的数值模拟

为提高燃料空气炸弹(Fuel Air Explosive,FAE)装置爆炸抛撒燃料的极限速度并使速度更加平均,在不改变现有装置整体结构的情况下,采用数值模拟的方法研究起爆方式对FAE装置燃料抛撒径向极限速度的影响。使用有限元分析软件的任意拉格朗日-欧拉算法对圆台型FAE装置抛撒燃料进行数值模拟,对比单点起爆、多点起爆和近似线起爆情况下相同位置节点的径向抛撒速度变化情况。研究结果表明,对于燃料上的单元而言,距离较近的起爆点设置会对这个单元上燃料的抛撒运动产生抑制效果,近似线起爆的方式可以使云雾抛撒得更加均匀,为FAE爆炸燃料抛撒数值模拟的进一步细化研究奠定了基础。

结构参数不同优化方式对氢燃料电池性能影响

为了提高质子交换膜燃料电池系统中引射器的性能,采用CFD模拟的方法对引射器的三个关键几何参数进行了模拟分析。此外,比较了单一参数分析下最优参数组合、最优优化顺序的参数组合、正交分析得到的参数组合对引射器性能的提升。结果表明,使用正交分析得出的引射器最优参数组合分别相较其他两种性能提升了13.6%和7.5%,该研究为引射器结构参数的优化提供了一种新的思路,对引射器的设计和应用有一定的参考价值。

氢燃料电池用高速永磁同步电机性能的数值研究

在利用Maxwell方程组推导了高速永磁同步电机的二维电磁场控制方程的基础上,采用Bertotti铁耗分立模型计算电机铁耗,引入雷诺系数计算风摩损耗,用经典计算公式计算绕组铜耗和涡流损耗,以上损耗值转化为体积生热率施加到电机各发热部件作为温度场分析时的热源,并且考虑材料温变特性和定子非晶合金导热系数各向异性,使用流固耦合法建立了高速永磁电机温升预测模型。依据所建模型进行算例分析,应用Maxwell软件和Fluent软件研究了气隙槽宽、槽肩高和气隙长度对电机磁场、温度场的影响,研究表明气隙槽宽对电机磁场影响较小,适当增大气隙槽宽有利于电机散热。

氨和甲醇等燃料供给系统设计对比及仿真

为满足国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)对船舶主机CO_(x)、SO_(x)和NO_(x)排放的要求,基于MAN主机燃料进机需求,对多种清洁低碳燃料系统的设计进行对比分析。分别针对氨、甲醇和液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,LPG)等燃料开展关键问题解决方案对比,并运用计算流体动力学(Computation Fluid Dynamics,CFD)方法对燃料系统回液方式进行仿真。仿真结果显示:在LPG回液管路上设计可调减压元件,能在1.8~2.3 MPa压力区间内实现燃料再利用,有效形成闭式循环回路;当损耗系数K为500~6500时,供给LPG主机的燃料压力满足5.1~5.5 MPa的要求。对比分析表明,在LPG燃料供给系统上调整供给泵参数和回液损耗系数K,即可使该系统应用于氨燃料供给系统设计中。

气体扩散层侵入流道对燃料电池水管理影响研究

质子交换膜燃料电池在装配过程中,气体扩散层(GDL)会因为装配压力产生形变而侵入流道。基于流体体积法建立截面形状分别为矩形、梯形和正方形的流道在GDL不同侵入程度下的数值模型,并对其进行气-液两相流行为研究,得到了液体滞留、排水效果、GDL面传质面积等方面规律。GDL侵入流道时,液体在排出过程中破碎程度减小,液体更容易积聚在一起,影响液体滞留效果。矩形截面流道排液时间更长,梯形和正方形截面流道液体排出时刻滞后。GDL侵入流道时,进气流速的增加使得较为聚集的液体排出速度稳定,并未大幅减小。GDL侵入流道程度较大时,矩形截面流道更多液滴黏附在流道侧壁与GDL面使得GDL面覆盖率较大,梯形截面流道顶部会形成稳定的薄膜流,排液速度大且GDL面覆盖率小。

高功率工况下氢燃料汽车排气噪声的优化研究

为解决氢燃料汽车在电堆高功率负载工况下的排气噪音问题,通过声学测试与流场仿真交互分析,优化了消声器系统的声学性能。采用有限元法进行消声器内部流场湍动能仿真分析,并交互使用声学测试方法进行消声器传递损失试验验证,研究发现原状态消声器在中频段表现一般,在低高频段性能较差。通过建立消声器流场仿真模型,优化其内部结构,包括变径多孔风管、消声内衬和减震垫等。流体仿真计算结果显示,新消声器结构流体域湍动能明显降低,改善了消声器内部湍流现象。消声器声学测试结果显示,新状态消声器在500~12 500 Hz频段传递损失明显提高,呈现更佳的消声效果。研究结果表明,在电堆高功率负载全频工况下,通过流场仿真与声学测试相结合的方法,能够快速优化消声器结构,提升全频段的消声性能,提高车辆的舒适性和用户体验。

某车用扁线电机端部油冷效果分析及优化

以某款电动汽车用额定功率为230 kW的油冷扁线电机为研究对象,根据相关参数建立分析模型,并进行高速工况下的损耗分析;基于传热学、流体力学以及有限体积法,对原有结构进行仿真计算,结果表明:前、后侧喷油口流速与压力分布不均,导致电机温度场分布不均、温差较大。针对前、后端喷油环喷淋不均、电机内部温差较大的情况,对冷却系统的关键结构参数进行优化设计。然后,计算分析优化后冷却系统的流体场与温度场特性,并与优化前结构进行对比。结果表明:优化后喷油环前、后侧出口速度差与压差更为均衡,定子及其绕组前、后端的温差明显降低,绕组最高温度下降了9.1%,前、后侧端部绕组最大温差降低至优化前的17.3%,电机的整体冷却性能显著提高。

超临界压力下竖直圆管内正癸烷对流换热不稳定性实验

以超临界压力正癸烷为工质,在内径2mm的竖直圆管内进行了不同工况条件下的流动与换热不稳定性实验研究。实验发现两种原理的不稳定性现象。转捩型是由于流动状态由层流向湍流转变引起,多为随机的小幅震荡,约在Re=5000左右出现;物性型由准临界温度附近剧烈变化物性所致,具有较大振幅和固定周期,约8~15s。增强系统稳定性的方法主要包括提高进口流体温度、升高压力或者采用向下流动方式。实验还发现在振荡区间内存在稳定区间现象。

JK80VNT增压器的开发研究

可变喷嘴涡轮调节技术是改善增压柴油机低速性能、降低柴油机排放的有效措施。本文对JK80VNT增压器进行了设计计算,将所设计的转叶式可变喷嘴涡轮增压器进行了涡轮性能试验,试验结果表明它能够有效地调节涡轮特性。并进行了可变喷嘴涡轮增压器与CA6106柴油机的匹配试验,将其结果与带放气阀增压器的试验结果进行了比较,结果表明CA6106柴油机高速油耗和整个外特性烟度都得到明显的改善。

燃料组件格架几何建模及网格划分技术

为采用计算流体力学(CFD)方法对燃料组件格架的搅混性能进行研究,对燃料组件格架几何建模及网格划分进行了系统的研究。比较不同几何模型得到的计算结果,确定了将搅混格架简化为无刚凸、无弹簧、只有条带和搅混翼结构的模型;出、入口段的模拟长度分别为250mm和230mm;模拟格架的数量为一道。研究网格对计算结果的影响,确定了分段网格划分方式和网格数量:入口段和出口段采用结构化网格,格架段采用非结构化网格。整个研究对象总节点数为1032258,总栅元数为2601614,其中格架段网格数占75.8%。

熔盐堆中燃料流动对缓发中子的影响分析

熔盐堆具有良好的中子经济性、固有安全性、可在线后处理、防核不扩散等特点,是六种第四代先进反应堆堆型中唯一的液体燃料反应堆。然而,熔盐堆中采用流动的熔盐作为液体燃料,从而缓发中子先驱核会随着燃料的流动流出堆芯并在堆芯外发生衰变,这不同于固体燃料反应堆。文中针对了一座实际运行过的熔盐实验堆(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE),基于中子动力学模型,采用圆柱体均匀堆的近似处理方法推导了液体燃料反应堆的缓发中子先驱核浓度数学模型,研究了恒定流速下的反应性损失及不同燃料熔盐流速对缓发中子分布的影响。结果表明缓发中子在越靠近堆芯中心区域的位置就越多,同时熔盐流速的变化对衰变周期越短的缓发中子先驱核组数的影响比较小。通过本研究,可以了解熔盐堆中缓发中子随着燃料流动的变化情况,为熔盐堆安全分析提供参考依据。

单元熔窑燃烧过程数值模拟

对单元熔窑燃烧空间内的流动、燃烧及辐射传热等过程进行数值模拟研究 ,比较燃烧器布置方式对火焰形状及传热过程的影响 ,结果表明 ,对于所研究的宽度为 3.2 m的窑炉 。

板状燃料堆芯流道阻塞事故分析

应用RETRAN 0 2程序 ,结合一堆芯流道阻塞典型模型 ,计算了板状燃料堆芯发生流道阻塞事故时诸热工水力参数的瞬态变化 ,分析了事故工况下的物理过程 。