深层环境下固井水泥水化放热特性及井周温度场演化规律研究

塔里木盆地已建成我国最大的超深层油气生产基地,深层环境会对水泥水化放热特性产生一定的影响,研究深层环境下水泥水化放热及传热特性对明确井周温度场演化规律至关重要。文章首先根据现场实测资料建立了塔里木油田近井和远井地层温度方程,根据不同地层深度的温度分布情况,开展了不同温度下G级水泥水化放热实验,基于Krstulovic-Dabic(K-D)经典水化动力学模型,结合水泥成核结晶与晶体生长、相边界反应以及扩散三过程反应特征推导了不同温度下水泥水化放热预测曲线,进一步推导了套管-水泥环-地层热传导模型,并将放热曲线作为热源代入到有限元模型中,得到了不同井深的套管与水泥在水化放热与高温地层的共同作用下温度场的变化情况。研究结果可为下一步分析有限局部空间的温度场变化对地层压力和套管变形影响提供技术支持。

制造氢气瓶内胆的电加热滚塑工艺参数的优化研究

在static bed模型的基础上为在PID控制模式下制造氢气瓶内胆的电加热滚塑工艺建立了一个传热模型,并通过FLUENT软件来仿真计算模具表面温度和模内温度以及加热时间和加热电能。这些仿真值与实测值都吻合得较好,从而验证了本文传热模型的准确性。然后应用该传热模型计算了在16种情形下停止加热时的模内温度以及加热时间和加热电能,并通过灰色关联度方法分析了PID模式的触发温度和初始加热功率的百分比对加热时间和加热电能的影响程度。结果表明,停止加热时的模内温度随初始加热功率的百分比变化较小,但随PID模式触发温度的升高而降低。加热时间和加热电能都是随着PID模式的触发温度的升高而减少。最优化的工艺参数是PID模式的触发温度取250℃且初始加热功率的百分比取90%。另外,PID模式的触发温度对加热时间和加热电能的影响程度都要大于初始加热功率的百分比对它们的影响程度。

基于土壤分层当量物性的地埋管换热器换热模型研究

文章综合考虑了土壤分层与地下水渗流等情况,结合实测数据,通过地埋管外壁温度计算得出地埋管内部流体温度与不同分层土壤的热物性参数,根据土壤当量物性进行分层,据此建立地埋管换热模型。经过对比验证实验发现,分层换热模型比常规均质模型更接近实测值,误差更小;基于土壤分层当量物性的地埋管换热器换热模型模拟出水温度与实测值平均绝对误差为0.21℃,模拟进、出口换热温差与实测值平均绝对误差为0.14℃,具有较高的准确度,可为工程设计提供依据并作为后续地埋管换热优化研究的基础。

基于不同接箍形式的隔热油管传热特性模拟分析

热力采油方法是稠油开采的主要方式之一,在注蒸汽热采过程中,隔热油管可以有效减少井筒径向传热损失;常规隔热油管使用一段时间后,热损失明显增加,如何改进隔热油管结构,降低注汽过程热损失,需要进一步研究。基于常规隔热油管,提出了2种改进隔热油管结构:接箍处含隔热衬套油管和直连式隔热油管;在对3种隔热油管物理结构分析基础上,建立了热损分析模型,根据所建模型,利用COMSOL软件进行了模拟计算分析,给出了3种隔热油管结构的温度分布和热损失变化特性,并进行了对比分析。结果表明:接箍处含隔热衬套油管热损失最小,直连式隔热油管热损失适中,建议对普通隔热油管接箍采取保温措施。本研究为注蒸汽热采过程减少热损失、提高稠油采收效果提供一定支撑。

飞秒激光脉冲作用熔石英的超快传热动力学研究

飞秒激光具有超短脉冲宽度、超高峰值功率的特点,飞秒激光与物质作用表现出的非线性吸收和低热扩散特性,使其在高精密微纳器件加工中有着重要的应用前景。建立了针对飞秒激光脉冲与熔石英作用的瞬态光电离以及非平衡传热的超快动力学模型。通过数值求解该模型获得了飞秒激光单脉冲作用熔石英的载流子密度和非平衡电子与声子温度的时空演化;得到了在非平衡态条件下,电声耦合时间随激光能量密度、脉冲宽度的近线性调控规律。进一步研究得到了瞬态电子热导、热容、电声耦合系数的变化规律,并对上述模拟现象进行了分析和探讨。

压缩空气储能地下储气库热力学改进模型研究

【目的】明晰地下储气库的热力学过程是压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)电站安全设计与运行调度的重要基础。【方法】现有地下储气库热力学模型在计算热量交换时,存在高压储气阶段热损失偏大和低压储气库阶段补热过多的不足。本文在全面分析地下储气库热力学模型理论基础合理性的前提下,先分析储气库热量计算偏差的形成根源;再提出改进模型。【结果】研究结果表明:现有的热力学计算解析模型忽略了CAES地下储气库在运行过程中温度分布的不均匀性,这种温度分布的不均匀导致储气室洞壁与压缩空气之间的对流换热模型失真,导致温度计算结果偏差大。考虑混合对流换热的改进模型二可以较好地解决储气阶段温度计算结果与真实结果之间偏差过大的问题。算例分析证明了改进模型二的合理性。【结论】本文的改进模型二可为CAES地下储气库容积优化设计与效率分析提供计算依据。

顾及土壤热传导-对流效应的InSAR冻土活动层厚度估计

冻土活动层厚度(Active Layer Thickness,ALT)的变化是反映青藏高原多年冻土发育情况及其状态的一个重要指标,监测活动层厚度变化对寒区景观稳定发展、碳循环等方面具有非常重要的意义.由于合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术具有大范围、高精度、高时空分辨率等优势,近年来逐渐被用于反演活动层厚度.已有研究中基于InSAR和土壤一维热传导模型的活动层厚度估计方法,没有充分考虑到冻土中土壤水分对流引起的热量传递.因此本文提出了基于InSAR时序形变及土壤热传导-对流模型的活动层厚度估计方法,利用土壤热传导-对流模型建立InSAR探测的最大融沉形变与最高地温之间的滞后时间与活动层厚度之间的相关关系,实现了由滞后时间直接推算大范围、高分辨率的冻土活动层厚度.本文以青藏高原五道梁多年冻土区为例,利用116景Sentinel-1影像图作为实验数据,估计了该地区2017—2020年的平均活动层厚度.结果表明,活动层厚度值范围为0~7.0 m,平均活动层厚度为3.06 m,与已有研究中相近时间段相关成果及观测数据结果一致.本文方法兼顾冻土水热过程,证明了土壤热传导-对流模型在冻土活动层厚度反演中具有良好的应用前景,可用于青藏高原其他偏远地区的高空间分辨率活动层厚度反演.

基于数值模拟的红枣片不同干燥方式热质传递仿真与试验

为揭示并对比红枣片热风干燥、红外热风干燥及红外真空脉动干燥中的传热传质及干燥动力学特性,并填补关于果蔬红外真空脉动干燥数值模型的研究空白。该研究使用菲克扩散定律、安托因方程及比尔朗伯定律等控制方程分别建立了针对3种干燥方式的红枣片三维热质传递耦合数值模型,并利用试验数据对模型的可靠性进行验证。该研究基于枣片的实际几何尺寸进行建模并利用COMSOL求解。结果表明:1)与热风干燥相比,红外热风与红外真空脉动干燥分别缩短了46.43%和41.07%的干燥时间,且仿真结果与实测值吻合较好;2)温度场模拟图显示红外辐射可有效对红枣片内部进行加热,干燥20 min时红外热风和红外真空干燥的物料中心温度较热风干燥分别提高了11.33%和5.59%;3)模拟数据显示红外真空脉动干燥中的压力变化对干燥动力学产生了明显影响,其中含水率和干燥速率随压力脉动分别呈现阶梯状和峰状分布,并且干燥速率对压力变化的敏感性随着物料含水率的下降而下降;4)将测得的红枣片品质及质构特性与仿真数据进行综合对比,给出了关于分段组合干燥研究方向的见解,并对果蔬干燥数值模型的发展方向进行展望。该研究建立并验证了红枣片3种干燥方式下的数值模型,并结合模拟结果对各干燥过程的特点进行分析,对未来不同果蔬数值模型的建立及干燥机理的研究具有重要意义。

锂离子电池失控机理模拟

锂离子电池由于存在热失控风险,安全性不能得到保障,在实际应用中仍存在局限。因此,了解热失控触发后电池的温度场变化规律,分析影响温度变化的因素是很有必要的。使用ANSYS FLUENT对锂离子电池进行模拟,建立了单体锂离子电池三维瞬态生热模型,通过模拟发电端不稳定导致的不同充放电波动功率输入下电池的温度场变化来研究电池内部热扩散规律;模拟锂离子电池局部内短路触发热失控后的温度场变化来分析热扩散规律。结果表明,锂离子电池的温度和壁面热流密度随输入电流的波动而波动。锂离子电池局部内短路触发后,热失控沿着电极纵向扩展的速率大于沿径向向外扩散的速率,增加对流换热系数能有效降低电池温度升温速率和幅度,降低电池触发热失控的可能性。研究热扩散规律对于实际应用中预测热失控、提高安全性、改善电池冷却工艺等提供了研究依据。

光伏组件多元复合相变材料控温特性研究与模拟

选取石蜡-十四醇掺混石墨作为多元复合相变材料,应用ANSYS软件建立光伏与相变控温模块的传热模型进行模拟分析与验证。研究不同质量分数的石墨、相变层热导率、热焓值以及厚度对光伏控温效果的影响。结果表明:上述因素都会不同程度地影响光伏组件的温度,其中石墨用量以及相变层厚度的影响最明显。当相变层中添加10%石墨时,光伏高于50℃的累计时间最少;当相变层厚度为50 mm时,控温效果最佳。

多目标拓扑优化算法在液压制动器传热优化中的应用

为有效提升液压制动器的传热性能,基于多目标优化算法对风冷盘的厚度、风槽高度、肋片倾角和肋片数量等设计变量进行拓扑优化,实现制动盘温度峰值和质量的同步降低。采用PDE方程建立风冷盘传热模型,以负热流为边界条件,求解出恒压匀速制动工况下的二维瞬态温度场。基于ANSYS Workbech建立风冷盘的三维参数化传热模型,利用台架试验法验证温度场仿真结果。采用中心组合设计法得出设计变量与优化目标的离散样本,通过多元二次回归模型构建代理模型并进行误差校核。构建优化数学模型,将质量优化目标转换为边界条件,通过序列二次规划算法得出不同质量区间的解集。结合min-max标准化和加权归一方法,得出无量纲的指标测评值,实现优化目标的性价比评价。优化结果表明,风冷盘质量降低8.3%,温度峰值降低3.7%,传热效率明显提升,经济效益和社会效益显著。

气固鼓泡床结构双流体传热模型及其模拟验证

介尺度结构显著影响非均匀气固复杂系统内的流动传递反应特性。构建了结构双流体传热模型用于模拟复杂气固系统内的流动传热过程,按照流动控制机制将鼓泡床系统划分成由气体主导的气泡相和颗粒主导的乳化相两个相互渗透的连续流体,进而确立考虑介尺度结构影响的控制方程及本构关系,其中相间曳力、乳化相黏度、相间传热系数及各相热导率均采用合理的经验关联式进行封闭。利用双流体传热模型与显式解析壁面流动和传热边界层方法相结合,对安装加热管的鼓泡床系统进行了模拟。结果表明:结构双流体传热模型可成功预测鼓泡床系统内固含率的轴向分布及床层壁面传热系数的变化规律;模拟结果与实验数据吻合较好,密相区壁面传热系数模拟值与实验值的相对误差小于10%,稀相区壁面传热系数的模拟值与实验值在同一量级,表明结构双流体传热模型可准确刻画鼓泡床系统内气固两相的流动传热特性。

黄土地基中能量桩群桩承载变形性状模型试验

基于室内缩尺试验研究了含能量桩群桩在4次冷热循环过程中的桩身热力学特性及桩基承载变形特性变化规律,分析冷热循环对桩土温度、承台沉降、桩顶荷载及桩身摩阻力的影响。试验结果表明:冷热循环过程中能量桩较浅位置处桩身及桩侧土温度始终高于较深处,热循环过程中能量桩的传热效率高于冷循环过程。冷热循环会使承台顶面的工作荷载及群桩中各基桩的桩顶荷载发生往复变化,相应地引起承台发生往复倾斜,热循环引起的承台倾斜稍大于冷循环。热循环引起的能量桩桩身上部摩阻力为负,下部为正,冷循环时则相反。

基于稳态热湿传递模型的单层织物孔隙率最优决定反问题

在稳态热湿传递模型的基础上,提出了一个单层织物的孔隙率最优决定反问题,通过优化织物的孔隙率参数以提高服装的热湿舒适性。使用蝙蝠算法求解单层织物的稳态热湿传递模型,得到温度和水汽浓度的分布;在此基础上,以高温天气下单层织物的散热性和透湿性最佳为目标,提出了单层织物孔隙率最优决定反问题;使用热阻和湿阻衡量织物的散热性和透湿性,将该反问题描述为一个热阻和湿阻最小优化问题,对热阻和湿阻设置不同的权重,将其转化为单目标优化问题,并使用蝙蝠算法求解。使用棉、羊毛、涤纶等3种常见的织物进行数值实验,结果表明:该反问题存在最优解,求解该反问题可得到使单层织物散热透湿性能达到最佳的孔隙率最优值;蝙蝠算法求解热湿传递模型正问题和反问题的效率高于常用的粒子群优化算法。该研究拓展了通过优化织物参数提高服装热湿舒适性的研究内容,可为高温天气下服装热湿舒适性优化设计提供一定的理论支持。

适用于一次调频能力在线监测的锅炉蓄热系数计算方法

锅炉蓄热系数是衡量火电机组一次调频能力的重要参数,实际运行中随着机组工况变化,但目前仿真中多忽略变工况下的蓄热系数变化对调频能力的影响。为准确掌握机组运行中真实的一次调频能力,需要在线确定蓄热系数。基于IEEE标准模型的框架,提出适用于一次调频能力在线监测的锅炉蓄热系数计算方法。建立考虑工质流动与传热过程的锅炉热力系统动态模型。以某1000 MW超临界机组为算例,结果表明所提出的变工况锅炉蓄热系数算法能更准确地描述一次调频过程中热力参数的动态变化。一次调频60 s内积分电量相较于IEEE标准模型减小62.4%。且低负荷下蓄热系数大,蓄热释放速率慢。该方法能根据现场实时数据确定当前工况下的蓄热系数,可应用于一次调频能力在线监测。

板翅式换热器传递函数动态模型及参数确定方法

飞机综合环控/热管理系统迫切需要建立快捷高效的换热器动态仿真模型,以满足先进控制系统设计需求。基于此,针对板翅式换热器动态模型,提出一种包含2个延迟环节和4个一阶惯性环节的传递函数矩阵形式,并从换热器机理模型出发,利用拉普拉斯变换推导模型中4个时间常数的计算公式,提出基于换热器效率的传热热阻计算关系式的辨识方法,解决了主要模型参数设置难题。以板翅式换热器为研究对象,在Simulink仿真平台搭建其传递函数动态模型,并与AMESim仿真平台搭建的机理模型进行对比分析,结果显示:2种模型所得空气和冷却水出口温度分别随入口温度和质量流量阶跃变化的动态响应曲线吻合很好,其中,4种工况空气和冷却水出口温度最大稳态偏差分别为0.034℃和0.029℃,当冷却水入口质量流量阶跃变化时,空气出口温度动态响应相对偏差最大,为9.27%,当空气入口质量流量阶跃变化时,冷却水出口温度动态响应相对偏差最大,为7.03%。

马钢120 t LF精炼炉钢液温度预测模型的应用与优化实践

针对LF精炼炉钢液温度控制过度依赖人工经验的问题,马钢长材事业部以120 t LF精炼炉为研究对象,基于能量平衡原理,计算分析LF精炼过程中输入电能、合金化、炉渣热效应、钢包内衬散热、渣面辐射、吹氩搅拌和烟气热损失等热量对钢液温度的影响,建立LF精炼钢液温度的预测模型。经过跟踪实际生产试验、测温校正并优化模型,使模型取得了良好的应用效果。模型预测温度与实际测量值偏差绝对值≤5℃的比例为97.73%,偏差绝对值≤6℃的比例为100%。

跨临界CO_(2)两相引射器喷嘴扩张段传热的影响分析

跨临界CO_(2)引射器主动流入口状态对引射器性能具有显著影响,主动喷嘴壁面传热会改变主动流状态,其对引射器性能的影响有待研究。基于均质平衡模型假设,构建了跨临界CO_(2)两相引射器的CFD模型,模拟研究了喷嘴扩张段传热对引射器性能和流场结构的影响,并分析了对冷凝器出口分流引射膨胀制冷系统性能的影响。研究结果表明:引射器引射系数随喷嘴扩张段热流密度和喷嘴扩张段长度的增大而增大,但在适用热流密度(小于120 kW/m^(2))下并不明显,引射系数变化范围在1%以内,其影响可以忽略不计;喷嘴扩张段传热对引射器内部流场的影响较小,喷嘴扩张段内流体温度略有升高,引射器出口干度略有增加,喷嘴出口和混合室内混合流的马赫数也略有增加;对于冷凝器出口分流引射膨胀制冷系统,利用引射器壁面传热可以过冷流体,系统COP显著提高,COP最大提升比例为8.89%。总体而言,对引射器主动喷嘴扩张段加热,对引射器性能影响甚微,但对冷凝器出口分流引射膨胀制冷系统的性能有较明显的提高。

82B小方坯连铸提高拉速的工艺优化实践

为提高82B生产效率,在北营炼钢厂2号小方坯铸机上开展提高拉速的生产试验,特别针对铸坯芯部质量进行多工艺的综合优化,以实现高效高质生产。首先,建立该铸机的凝固传热数学模型,并结合比色测温方法对模型中待定参数进行修正;针对中心偏析和缩孔质量问题,结合修正后凝固传热模型和相应冶金准则对拉速、二次冷却、电磁搅拌等参数进行了优化计算;最后通过生产试验比较,确定工艺优化的方向和效果。最终优化确定拉速2.25 m/min,比水量为1.7 L/Kg,结晶器电磁搅拌参数为260 A/3Hz,末端电磁搅拌参数320 A/8Hz。工艺实践及分析表明,优化工艺后铸坯低倍中心碳偏析、缩孔均有较明显的改善。

基于FLUENT的燃气发生器热流特性研究

为研究燃气发生器作用过程内部温度分布及滤网降温作用原理,基于Ansys Fluent软件对4种不同结构燃气发生器内部气体温度分布情况进行仿真分析,选用Standard k-ε模型模拟气体流动,以多孔介质模型模拟滤网,得到4组仿真结果。结果表明:侧排式结构能延长气体流动路径,增加气体与内壁热交换;滤网可通过热交换降低气体温度,同时阻碍传质、延长气体与内壁接触时间,从而实现在限定时间内延缓出口温度上升。本研究为进一步优化燃气发生器降温结构设计提供参考。