迷宫式新型流道对质子交换膜燃料电池的性能优化

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有广泛的应用前景。为了提升流道构型对于质子交换膜燃料电池的综合性能,通过建立一种三维单相、等温的圆形交错迷宫式流道质子交换膜燃料电池模型,分析新型流道对质子交换膜燃料电池的输出性能、阴极氧和水浓度分布及阴极进气流速的影响。结果表明,圆形交错式流道相较于矩形交错式流道和蛇形流道电流密度提升25%和143%,也可以明显的改善流道内反应物和产物的分布和输运。阴极进气流速的增加可以提升电池的性能,但也会带来其他额外的损耗。可见,圆形交错式流道可以有效提升输出性能,改善氧和水的分布。

PEMFC新型冷却流道的数值模拟

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在运行过程中,化学反应会产生大量的热量,需要通过高效的冷却设计来带走这些热量。为了使燃料电池的温度更加均匀并提升燃料电池的效率,设计了一种新型仿生叶脉形冷却流道,采用计算流体力学(CFD)方法,与平行冷却流道、蛇形冷却流道在冷却流场的最高温度、进出口温差、温度均匀性和压降特性等方面进行对比研究。研究结果表明:与传统的平行和蛇形冷却流道相比,在相同的冷却条件下,仿生叶脉形冷却流道温度均匀性最好。此外,虽然蛇形冷却流道的冷却性能优于平行流道,但会导致更高的压力损失。与两种传统流道相比,在相同的冷却条件下,仿生叶脉形冷却流道不仅冷却性能最好,最高温度值降低到346.6 K,其冷却板温度均匀性UT更好,而且进出口压力差最小,造成的压降损失更小。

仿生鱼骨流道液冷电池热管理系统性能研究

为解决动力电池在高放电倍率下温度高以及温差大问题,提出了一种仿生鱼骨流道,并建立了液冷散热模型。在40℃的高温以及电池放电倍率为3C的条件下,研究并对比了鱼骨流道和平行流道的冷却性能,结果表明鱼骨流道具有更好的冷却性能。在此结构下,分析了6个具有代表性的单电池的最高温度以及温差,同时研究了冷却液的流速,冷却流道的流向排列对电池组温度以及温差的影响。结果表明,当冷却液流速为0.02 m/s,电池组放电结束时的最高温度为27.8℃,电池组的温差在2.2℃,冷却液压降为1.5 Pa,采用冷却液交叉流向排列方案的电池组具有更好的均温性。

Structural Design of a Bionic Anti-Clogging Drip Irrigation Emitter Based on Shark Dorsal Fin

Due to the poor anti-clogging performance of the common drip irrigation emitters, this paper designed a new bionic flow channel in the emitter based on the shape of shark dorsal fin. After preliminary structural design, the computational fluid dynamics (CFD) simulation showed that the bionic emitter exhibited superior anti-clogging performance and reasonable hydraulic performance. The passage rate of particles of the bionic emitter in simulation reached 96.3% which was 37.6% higher than 70% of traditional emitter, and the discharge exponent reached 0.4995 which was close to traditional emitter. Physical experiments were consistent with the CFD results, which confirmed the correctness of simulation. After a short cycle anti-clogging performance experiment, the bionic emitter still maintained 96.09% of the initial flow rate.

基于蝶翅微结构的高速主轴冷却水套仿生热结构设计

内置电机作为高速电主轴的主要发热部件之一,在实际工况中,其发热量会影响电主轴的回转精度。为了提高电主轴冷却水套的冷却效率,以自然界中闪蝶翅膀微结构的几何模型、结构功能和位形关系等为参照,结合结构相似理论设计一种具有双层包覆性特点的新型蝶翅仿生冷却水套。基于流体动力学及热传导特性理论,对仿生冷却水套及原始螺旋冷却水套进行流固耦合及共轭传热特性的仿真对比分析。结果表明:当冷却水的雷诺数和强迫对流换热面积相同时,电主轴仿生冷却水套的冷却效率和流动特性均优于原始的螺旋冷却水套,其中内置电机的定子热边界面最高温度降低了8%~11%;仿生冷却水套的冷却水最大流速为0.328 m/s,出入口的最大压降是478.6 Pa,相较于螺旋水套在流动特性方面都有很好的提升,对冷却水套结构设计和高速电主轴驱动电机共轭传热提供了参考。

高效节能仿生深松部件的试验

借助田鼠爪趾弯曲轮廓形状的测定结果,设计、制作了一种仿生弯曲型深松部件,通过室内大型土槽试验测定了其耕作阻力,结果表明所设计的仿生深松部件减阻效果明显。通过本文的研究为弯曲型深松部件的高效节能改进设计提供了仿生研究的基础。

T形微通道结构中的流体混合规律

对单级和双级T形微通道结构中流体的混合规律进行了实验和模拟研究。研究发现,随着流动Reynolds数的增加,微通道内依次出现层流、涡流、卷流3种不同流动状态;在单级T形微通道中,只有当流动处于卷流状态时,混合才得以强化;而对于双级T形微通道结构,流体接触面积增大,流向转变使得当最大尺度的混合通道中出现涡流时,混合即增强。在相同停留时间条件下,双级T形微通道结构中流体混合效率明显高于单级。研究结果充分说明,含有多级T形结构的树状分形仿生网络结构能够极大地强化流体混合,多级T形网络结构是一种高效的微观混合构型。

基于昆虫翅脉仿生流道的数控机床主轴系统冷却结构热设计

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的主要因素。根据自然界昆虫的翅脉结构,设计了一种基于鳞翅目昆虫翅脉仿生流道的新型主轴系统冷却结构。建立了昆虫翅脉仿生流道冷却结构模型,在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软件对传统螺旋形流道和新型昆虫翅脉仿生流道冷却结构进行流固耦合仿真对比分析,结果显示后者比前者具有更好的散热效果和流动特性:在相同边界条件下,冷却液最大流速约为1.839m/s,出入口压降为3 181Pa,加热面最高温度降低了约17.8%、最低温度降低了约4.6%,且冷却结构的温度场分布更均匀。研究结果可为数控机床主轴系统冷却结构的热设计提供参考。

仿复眼的动目标位置快速估计算法

昆虫复眼由成百上千个小眼组成,具有大视范围内的快速识别能力.本文仿昆虫复眼的快速定位特性,提出一种基于小眼视场交汇空间分区的动目标位置快速估计法.根据探测器阵列组合与空间视野范围的对应关系建立参量方程,参量为检测到动目标时探测器阵列的组合方式;模拟探测器阵列与运动目标,验证定位算法的快速估计能力;最后通过阈值比较获得检测到目标的探测器组合方式,求解参量方程实现目标定位.对定位计算结果与实际模拟距离进行比较,结果表明该算法能够实现不同大小目标在不同运动轨迹下的位置估计.

家蚕前部丝腺准静态轴向拉伸力学特性

为了研究仿生微通道的制作工艺和流动特性,提出了符合家蚕前部丝腺特征的生物软组织复合体准静态轴向拉伸力学性能测试方法。以五龄家蚕前部丝腺为试验对象,进行了准静态轴向拉伸试验,观测了拉伸试样断口形貌,测量了前部丝腺体和丝蛋白溶液纤维化过程(简称丝纤维)的准静态轴向拉伸力学性能。应用超弹性材料Ogden模型,构建了家蚕前部丝腺体和丝纤维的准静态轴向拉伸力学本构方程,利用ABAQUS软件进行了试验结果拟合,相关系数达98%以上。结果表明:家蚕前部丝腺体及其丝纤维具有优异的超弹性力学特征,且丝纤维力学性能优于丝腺体的。

带汽液分离腔的树状微通道热管运行性能研究

设计了一种超薄的新型闭环热管(BLHP),该热管蒸发器部分采用树状仿生微通道代替吸液芯,并在冷端嵌入汽液分离腔。着重研究了30%～70%充液率下BLHP的运行特性和启动特性。试验结果表明:BLHP运行方向为逆时针单向循环;BLHP存在启动温度阀值,不存在启动功率阈值,最低启动温度为36.5℃;充液率70%时热阻最低(低至0.12 K/W),启动时间最短(43 s);汽液分离腔的"液池效应"具有稳定工质方向和加速启动的作用;热管中树状仿生微通道比并行通道具有更好的抗振荡特性。

基于仿生翅脉流道冷板的锂离子电池组液冷散热

基于方形锂离子电池生热特点,设计了一款新型仿生翅脉流道冷板。在数值传热学理论基础上,建立了仿生翅脉流道冷板的电池组液冷冷却散热模型,对仿生翅脉流道冷板和进出口位置不同的两种并行流道冷板的锂离子电池组冷却散热分别进行了数值模拟计算,并分析了电池组相邻冷板冷却液流向和流道槽深等参数对仿生翅脉流道冷板散热的影响。结果表明:与并行流道冷板相比,仿生翅脉流道冷板冷却不仅能够进一步降低电池组最高温度和温差,提升温度分布均匀性,还可以减小流道压力损失,降低能量消耗。电池组相邻冷板冷却液交错流比同向流电池组的表面最高温度降低了0.62 K,温差减小了1.13 K,平均温度变化相差不大,温度场分布均匀性得到进一步提升;冷却液质量流量不变,随着流道槽深的增大,电池组的最高温度、平均温度和温差均出现先增大后减小的现象,但随着流道槽深的增加,电池组的重量和所占空间也会增加,当流道槽深为2 mm时冷板冷却效果最优。研究结果可为探索散热性能更好、能耗更低的电池组热管理系统提供参考。

T形微通道结构中液液两相流动与传质规律

对单级和双级T形微通道结构中水和甲苯两相流动与传质进行了实验与模拟,拍摄了两相流动流型变化,通过测量醋酸在水和甲苯两相的分配获得了T形微通道中液液两相传质系数。采用VOF流体力学模型模拟了T形微通道中弹状流的形成和变化过程,准确预测了弹状尺寸。研究发现,无论流动处于弹状流还是并行流,在保持相同停留时间条件下,双级T形微通道结构中总的体积传质系数及萃取效率明显高于单级。结果说明,含有多级T形结构的分形树状仿生网络能够有效地提高液液两相间的传质速率,多级T形网络是一种高效的微萃取构型。

主轴系统仿蜂巢冷却结构流固耦合热设计研究

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的重要因素。受自然界蜂巢分形结构的启发,设计了一种基于蜂巢仿生流道的主轴系统冷却结构,并建立了蜂巢仿生流道冷却结构模型。在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软件对蜂巢仿生流道(单孔和多孔流道截面结构)和螺旋形流道冷却结构方案进行仿真计算,流固耦合分析结果显示两种前者流道结构比后者的流动特性较好,散热效果更好。在同等边界条件和冷却液体积相同情况下,多孔蜂巢形流道截面结构比单孔蜂巢形流道截面结构的散热效果更理想、温差更小。研究结果可以为主轴系统的冷却结构乃至电子元器件等微系统结构热设计提供参考。

芯片散热微通道仿生拓扑结构研究

为提升高热流密度芯片的散热能力,借鉴自然界中众多具有优良传质传热特性的网络拓扑,设计了多种仿生微通道拓扑结构.利用数值模拟方法,分析了不同拓扑结构的散热效果及压降特性,结果表明不同拓扑结构的散热能力存在一定差异,且芯片热流密度越高差异越明显.对数值分析中综合性能优秀的蜘蛛网结构的散热特性进行了理论分析,并通过3D打印加工了微通道散热器,测试表明其散热能力和压降相对现有平直微通道均有明显提高.

微流体系统中微通道网络成形工艺研究进展

微通道作为微流体系统的重要组成部分,是提高微流动性能的关键因素。现有微通道制作材料包括硅、石英和玻璃等无机材料,以及PDMS、PMMA、PC和环氧树脂等有机材料,而加工工艺主要有湿/干法刻蚀、热压成型、微/纳光刻技术、激光微加工和模塑法等类型。根据不同应用领域中微通道的功能需求和空间布置情况,可将微通道网络分为线性、平面和立体三种类型,综述了不同类型微通道网络成形工艺的国内外研究现状,其中线性和平面微通道网络的制作与成形一般是同时完成的,工艺较成熟,而立体微通道网络需分步实现,难度较大。探讨了现有微通道网络成形工艺的不足和发展趋势。简要介绍了玻璃基仿生微通道及其网络成形工艺研究进展。

基于鹦鹉螺仿生结构的流道对PEMFC性能提升研究

提出一种基于鹦鹉螺旋转结构的仿生流道并建立三维单相、等温的CFD数值模型进行多物理场模拟研究,该流道进气口位于中心位置,反应气体从流场中心进入,向周围环形流道依次流动。将传统蛇形流道与鹦鹉螺仿生流道进行数值模拟分析,发现鹦鹉螺仿生流道具有反应气体分布更加均匀、除水效果更好、浓差极化损失较小、输出性能更好等优势,相比蛇形流道的峰值电流密度提升46.77%、峰值功率密度提升21.53%。

整体式催化剂芯片的仿生设计与优化

借鉴生物体内循环系统的原理和组织结构特征,设计了一种具有进料、出料仿生微通道网络分布的整体式催化剂芯片。对仿生通道网络构型进行了CFD模拟研究和优化计算。模拟发现,在保证相同停留时间条件下,相比传统床层式催化剂芯片,具有仿生微通道网络分布的整体式催化剂芯片流动阻力极大降低。经过构型优化的仿生通道结构芯片返混小,平推效果较好。稳定性分析表明,仿生通道结构芯片还具有较好的抗干扰性,能够有效地降低流道短路或断路等不确定因素带来的不良影响,是一种理想的催化剂芯片构型。

基于仿生蜂窝流道的锂电池组液冷散热研究

液冷散热作为常用的散热方式广泛应用于新能源汽车中,因其良好的散热能力在电池热管理中被广泛研究。基于电动汽车锂电池生热特点,设计了一种新型仿生蜂窝流道,建立了锂电池组液冷散热模型并与并联直流道进行散热性能对比,证明了仿蜂窝流道的优越性。此外,探讨了环境温度、放电倍率、入口雷诺数三因素对锂电池组散热的影响。结果表明,冷却液在排布II下作用下,且在4C高放电倍率和40˚C高温环境下,当冷却液入口温度26˚C,临界雷诺数为80时,电池组放电结束时最高温度为40˚C,最大温差为3.19˚C,冷却液压降仅为3.34 Pa。

一种新型磁涡流节能供热装置研制

风能储量大、分布区域广,是一种开发利用潜力巨大的可再生清洁能源。作者提出将风能直接就地转化成热能为建筑物供暖,聚焦提高风力磁涡流致热和换热效率研究。采用海尔贝克阵列磁极排列建立单边磁场,增大定子涡流,较表贴式磁极结构的致热功率提升28.27%;采用昆虫翅脉结构仿生流道设计发热体,增大换热面积,较传统螺旋形流道换热效率提高18.7%。在致热和换热设计性能仿真基础上,采用SolidWorks完成风力磁涡流制热装置的机械设计,并制作了一台5kW原理样机,开展整机台架致热效果试验,结果表明平均致热效率可达55.82%。提出的新型磁涡流节能供热装置,可实现海岛、农村和边疆等电网难以达到地区建筑物绿色供暖,有着广阔的应用前景。