基于蜂窝仿生流场的质子交换膜燃料电池的性能研究及优化

为了增强质子交换膜燃料电池(PEMFCs)内部燃料分布的均匀性与水管理能力,本文研究了一种新型的基于仿生结构的蜂窝仿生流场。首先,根据蜂窝结构特征,搭建出三维多相流非等温几何模型并确立PEMFC的数学模型;其次,采用计算流体动力学Fluent软件对模型进行无关性与有效性验证,并对蜂窝仿生流场和常规平行流场的电池性能和燃料分布进行了模拟分析;最后,对比极化性能、气体流速分布、燃料与液态水组分浓度和电流密度分布,验证了蜂窝仿生流场设计的有效性。研究结果表明:采用蜂窝仿生流场的电池峰值功率密度比常规平行流场高15.6%,其内部水管理能力和燃料分布均匀性均强于平行流场;左端进气的蜂窝仿生流场比采用上端进气的蜂窝仿生流场在气体通路内具有更均匀的气体压力,可有效避免流道内产生局部涡流,其峰值功率密度可以达到0.3933 W/cm2。

聚脲涂覆油箱抗冲击仿真研究

为提高车载油箱抗冲击能力、降低结构变形和损伤程度,以聚脲涂覆油箱为研究对象,通过材料试验获取Air1608型聚脲弹性材料力学性能参数。在普通油箱表面均匀喷涂5 mm厚聚脲材料,分别开展普通油箱和聚脲涂覆油箱在5 m高度自由跌落工况的有限元仿真计算和试验,仿真结果与试验结果有较好的一致性,聚脲涂覆油箱局部结构最大变形量与涂覆前相比降低约32%。同时开展在油箱内侧和双侧均匀喷涂聚脲情况下的仿真计算,研究发现双侧喷涂聚脲对油箱结构的弹性变形有良好的限制作用,能够减小油箱塑性变形,抗冲击性能较好。

并联通道中超临界RP-3航空煤油流量分配特性数值研究

针对热流偏差下空-油换热器的应用,进行了三种类型并联通道中超临界压力RP-3航空煤油流量分配数值研究,探究了进口压力、进口温度、进口总流量、进出口布置对双通道流量分配的影响机制。通过摩擦压降和加速压降的演变机制揭示了流量非对称分配的原因,讨论了通道质量流速和温度的分布特征及其对换热的影响,进行了(火积)耗散效应分析。根据热流密度比值和运行参数提出了流量偏差的预测准则,预测偏差处于±15%范围内。结果表明:随着双通道热流差别增大,两者流量偏差增大,源于加速压降和摩擦压降的平衡机制。热流比值小于1时,摩擦压降主导流量分配;热流比值大于1时,加速压降主导流量分配。热流比值等于1时,双通道流量等量分配。提高进口压力、进口温度、进口总流量双通道流量偏差均受到抑制。高热流偏差下通道出现流量不连续和偏差管温度反向分层问题。相对流量偏差和(火积)耗散偏差的变化规律一致,I型布置相比U型和Z型布置更好。

中冷器压降对船用相继增压柴油机性能的影响研究

相继增压技术的运用能够兼顾中高速船用柴油机在低速和高速下的性能指标要求,弥补了发动机转速跨度较大时普通增压技术的不足。在该技术实施过程中,发动机进气系统的其他部件仍然可能对发动机的各项性能指标产生影响。本文在一台16V船用相继增压柴油机上,通过耐久试验,研究了中冷器压降对发动机性能的影响。结果表明:随着中冷器压降的增大,进气流量减小,导致发动机的燃油消耗率、烟度和涡轮前排气温度也随之上升。同时,增压器压气机的运行逐渐接近喘振区,从而显著增加了增压器发生喘振的风险,对发动机的经济性、排放性、动力性和可靠性产生了极大的影响。因此,在发动机运行过程中,需要对中冷器前后的压降进行监控,并定期对中冷器进行维护保养,必要时还需进行更换。

金字塔状挡板影响PEMFC性能研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道结构主要影响气体流动、扩散和电化学反应。通过建立金字塔状流道挡板的PEMFC三维模型并进行数值模拟,探讨不同金字塔状挡板比率和挡板数量对燃料电池传质特性和输出性能的影响。结果表明:在流道内增添金字塔状挡板与无挡板流道相比,最大可提高气体垂直速度分量93.7%,进而提升气体由流道向催化层的传输性能;在金字塔状挡板比率为0.25,挡板数量为1时,燃料电池净功率最高可达到0.107 W。此外,增大挡板比率和增多挡板数量均可持续提高传质性能,但流道压降同时也会有最大18.5%的上升,使得PEMFC输出性能下降。

新燃料运输容器运输多根小型组件的跌落分析

目的通过跌落分析,确认STC容器可用于运输多根小型组件。方法设计一个可装载多根小型组件的运输内胆,并从外形尺寸、质量、安装方式、重心位置等维度对内胆组件和新燃料组件进行比较,从而明确运输多根小型组件时STC容器的跌落姿态——与运输新燃料组件时一致。最后,比较STC容器在装载2种组件时的跌落分析。结果跌落分析表明,在各种工况下的跌落中,相较于运输新燃料组件,STC容器运输多根小型组件的变形量要小。结论通过内容物比对和跌落分析,证明了STC容器不仅可用于运输新燃料组件,还可以用于运输多根小型组件。该运输方案满足了跌落验收标准,确保了容器在各工况下跌落的闭合状态,从而提高了设计效率,节约了研制成本。

多组分燃料液滴高温蒸发耦合机制研究

以高挥发性的乙醇与低挥发性的加氢生物柴油和柴油构成的多组分混合燃料为研究对象,研究了单个液滴在高温下的内部蒸汽气泡动力学及蒸发特性。在恒温加热炉中,采用挂滴法结合高速显微成像技术,在773、873和973 K温度下,捕捉了加氢生物柴油-乙醇-柴油混合燃料液滴在蒸发过程中的形态变化,分析了液滴的归一化平方直径和寿命等特征。研究表明,在773 K下,蒸发过程较平稳,液滴体积均匀减小,而在973 K下,0.093 s时液滴内开始产生微小气泡并逐渐增大;在0.767 s时再次形成微小气泡,并于0.907 s时出现第2次破裂。升高环境温度有助于增加燃料液滴的蒸发速率,加剧蒸发过程中的微爆现象,一定程度上缩短了液滴的蒸发时间;蒸发过程中液滴内部的气泡增长与汽液界面的Rayleigh-Taylor不稳定性有关,且在液滴表面观察到了表面张力现象;与柴油相比,随着二元燃料中加氢生物柴油含量的增加,组分对蒸发的抑制作用更强,与二元燃料相比,三元燃料中的乙醇促进了微爆,缩短了液滴蒸发;三元燃料的液滴蒸发按序呈现乙醇主导、乙醇和柴油共同主导以及三者共同蒸发3个典型特征阶段。

常规推进剂发动机高压富氧燃气燃烧处理方法与试验

针对大推力常规推进剂补燃发动机燃气发生器试验的高压富氧燃气的无毒化排放处理需求,设计了国内首个大流量高压富氧燃气实时燃烧处理装置,实现了某补燃发动机富氧发生器试验燃气的燃烧处理。处理装置采取快速降压和混水补燃的技术方案,首先采用超声速拉法尔喷管和多孔阻尼板,使排气的压力大幅下降,并通过整流装置保证排气流场参数均匀,为下游燃烧室提供低压低速的稳定气流;然后采用分级燃烧室,在燃烧室轴线的不同位置多次喷射混水燃料,实现与富氧排气进行补燃,通过控制混合比和燃烧温度,保证NO_(x)转化为N_(2)和CO_(2)。试验结果表明,处理装置燃烧稳定,结构可靠,排气压降比超过95%,补燃效率超过0.9,实现了无毒化处理能力超过每秒百千克量级。

商用航空发动机燃油喷嘴雾化锥角测试技术研究

燃油喷嘴雾化锥角是商用航空发动机燃油喷嘴研制过程中的重要参数。为了解决人工识别喷雾锥角边界的测试方法中存在的主观性和系统性误差,采用了基于雾滴散射光强分布的喷雾锥角测试方法,开发了锥角测试系统及图像处理软件,校验了测试精度,试验验证了测试技术的可行性。结果表明该技术具备自动识别锥角功能、测试精度高、实用性较强。

乏燃料运输容器事故工况密封分析研究

目的 为防止放射性物质泄漏,要求乏燃料运输容器在事故工况下保证容器的密封。通过对乏燃料运输容器比例容器事故工况密封分析研究,为乏燃料运输容器密封分析提供依据。方法 为验证假想事故工况乏燃料运输容器的密封性,采用LS-DYNA分析软件,开展乏燃料运输容器比例容器9 m跌落分析,提取密封螺栓跌落过程中的载荷时程和密封面分离量,并在比例容器跌落试验后开展气密性能试验。结果 跌落分析结果表明,比例容器内、外盖在跌落过程中,密封螺栓应力满足限值要求;内、外盖密封面最大分离量小于密封结构有效回弹量。同时跌落后容器的气密性检查试验结果表明其密封性能良好。结论 乏燃料运输容器比例容器的跌落密封分析和气密性试验结果表明,在事故工况下乏燃料运输容器货包能够保证密封要求,该分析方法可用于乏燃料运输容器事故工况的密封分析。

探究蛇形流道PEM燃料电池阴极压降变化规律

基于燃料电池的阴极进出口气体压降进行水管理是燃料电池水管理的重要方法之一。阴极压降与流道类型、电池温度、相对湿度、气体流量和电流都有关系,而电压对电池性能有较好的反映。为了探究阴极压降在这些不同参数下的变化规律,本文对三流道和单流道质子交换膜燃料电池进行了相应的探究实验。对实验数据中电压与阴极压降进行分析发现:三流道燃料电池的电压和压降波动要比单流道剧烈很多,压降的相对压降波动幅度要比单流道大。在100%加湿的情况下,三流道和单流道的水淹状况都会随着温度升高而加重,电压波动加剧,压降升高。且三流道电池电压随阴极相对湿度的增加而降低,单流道则有轻微升高。另外两者的水淹状况都会随阴极气体流量的增加而减轻,气体流量对单流道电压的影响要大于三流道,气体流量增加会使两者的压降都明显增大。

乏燃料容器坠落对燃料厂房构件的影响分析

“华龙一号”燃料厂房中的乏燃料容器在运输过程中,需考虑其可能发生的坠落事故。基于核电站安全要求,需在相应坠落位置,采取减振措施消耗冲击能量,以保证在坠落事故发生后被撞击的楼板的完整性。通过对比材料性能,选择蒸压加气混凝土砌体作为减振层材料,标定蒸压加气混凝土砌体的本构参数;在此基础上以某核电站燃料厂房设计施工为基准,采用ANSYS、LS-DYNA有限元软件建立燃料厂房乏燃料容器坠落冲击的有限元模型,分析了乏燃料容器坠落位置钢筋混凝土楼板的应力应变,进而得出跌落位置钢筋混凝土楼板的结构承载力满足要求的结论。

流道宽度和脊宽度对燃料电池极板流通特性的影响

为研究蛇形流道结构燃料电池流道宽度和脊宽度对燃料电池极板流道流通特性的影响,运用多物理场仿真软件Comsol对不同流道宽度和脊宽度的蛇型流道结构进行仿真,分析流道宽度和脊宽度对流道压降和流道内流体质量流量的影响。结果表明:脊宽度对流道压降和流体质量流量分布的影响小于流道宽度的影响;增大流道宽度可以降低流道压降,增大流道内流体的质量流量;增大脊宽度可以使质量流量小幅减小。综合考虑流道宽度和脊宽度对压降和流体质量流量分布的影响,应在合理范围内尽量增大流道宽度,且脊宽度不应过小。

回转式阳极炉液面下出铜方式的开发与应用

回转式阳极炉在阳极铜浇铸作业过程中存在铜水落差高、飞溅大、铜水温降大、浇铸结束后残余废铜多的问题。为了解决这些问题,贵溪冶炼厂设计了一种滑板出铜装置。实现了阳极炉底部出铜,大幅降低了出铜过程铜水落差、减少了废铜产出量,减少了铜二次冶炼成本。减少了燃料单耗,杜绝了铜水带渣可能,阳极板产品质量得到提升。

摇摆条件下含花瓣形棒束自然循环系统特性

为获得摇摆下含3×3花瓣形棒束通道自然循环特性,本文基于区域分解法,采用自编一维程序和三维CFD软件构建摇摆条件下多尺度耦合数值模型。依据已有实验数据验证了模型可靠性,并分析了摇摆对花瓣形棒束通道内流动特性的影响。结果表明:加热功率升高使回路中冷、热流体温差增大,自然循环流量时均值增加,系统更加稳定;流体温度增加使近壁面流体粘度减小,阻力系数降低。此外,通过引入瞬时摇摆雷诺数,获得适用于摇摆条件下低雷诺数范围的流动阻力系数表达式。本文可为花瓣形燃料组件在海基核动力装置的应用提供设计依据。

超临界环境下煤油和UDMH单滴燃烧现象

采用重活塞实验系统,对煤油和UDMH在超临界环境下的蒸发和燃烧现象进行了初步研究,结果表明:无论液态或者凝胶燃料,在超临界环境下均存在蒸发现象。在空气超临界环境下,煤油和UDMH均产生自燃现象。自燃呈现多点着火现象,类似于"森林火灾"模式,且持续时间较长。燃烧大致可分为蒸发、点火、燃烧前期和燃烧后期4个阶段。

乏燃料贮存格架在组件跌落事故中的冲击分析

为解决乏燃料贮存格架在组件跌落事故中的冲击分析问题,对ANSYSLS-DYNA程序在弹塑性条件下的冲击分析功能进行开发,并运用于300 MW压水堆核电厂乏燃料贮存格架受乏燃料组件撞击的仿真分析中,采用应变失效和变形失效的方法对乏燃料贮存格架进行安全评定,证明现有的设计满足安全要求。所应用的弹塑性冲击分析方法,以及对乏燃料贮存格架评定的方法同样适用于其它核电设备。

新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究

对一种新型气动雾化喷嘴的喷雾特性进行了实验研究。该喷嘴的喷雾是由环缝射流和中心旋转射流剪切破碎中心燃油射流而形成。实验用二维激光测速测粒仪对喷嘴下游几个截面上气流和液滴的平均速度和脉动速度，以及液滴的粒度和浓度沿径向的分布进行了测量。研究了中心旋流强度对喷雾的影响。测量结果显示喷雾中心存在低速区和固体涡核，而喷雾边缘具有较高的速度。浓度呈空心分布。喷雾具有很大的湍流脉动。

分级富氧燃烧控制NO_x的一维模型和试验研究

为研究富氧燃烧过程中的 NOx生成与控制，在一维沉降炉上进行了煤的分级富氧燃烧试验，并利用 Matlab 和Cantera 软件建立了一维沉降炉反应模型并进行分析。试验温度1100~1200℃，给粉量21.1~32.3 g/h。试验和模拟结果表明：富氧燃烧时不采用烟气再循环的方法时 NOx生成量也可比空气下燃烧时低。在未分级条件下，富氧燃烧时的NOx排放量是空气工况的77%。通过推迟二次风后移、缩小一次风风率等手段延长一次风在还原区的停留时间，可降低富氧燃烧时的 NOx生成量。高浓度 CO2和焦炭的气化反应有助于强化还原区的还原性气氛，促进NO在焦炭表面的还原，促进焦炭N向N2的转化，抑制焦炭NOx的生成。一维模型模拟结果与试验吻合。

单滴燃料超临界特性实验研究的新方法

简述了超临界流体概念,超临界条件下单滴燃料蒸发和燃烧实验的研究进展。讨论了活塞驱动器技术研究单滴燃料超临界特性的新方法,简要介绍了活塞驱动器状态参数计算、流场显示、压力及温度测量的方法,指出了活塞驱动器研究单滴燃料超临界特性存在的问题。